德國的核融合裝置測試成功! 可望成為最有希望的乾淨能源

駕馭讓太陽發光發熱的巨大能量

時間在去年底,德國首次啟動新型大規模核融合(nuclear fusion)反應爐,它成功地達到燃燒的高溫形成封閉的氦電漿(helium plasma)。

自此之後,有一個大問題,這個裝置會按照它應走的方向運作正常嗎?當你在討論一個機器可以維持控制核融合反應一整天這是相當重要的,感謝老天爺,答案是肯定的!

從美國和德國來的一組研究人員現已確認「文德爾施泰因 7-X」(Wendelstein 7-X ,W7-X) 仿星器(Stellarator)能夠生產超級強大、彎曲和3D磁場,它的設計被預測為史無前例的精準(unprecedented accuracy),研究人員發現錯誤值少於十萬分之一。

研究人員在自然通訊(Nature Communications)線上期刊報告:「不管是從一個融合裝置的完工後工程觀點,還是磁性模型的測量成果來看,據我們所知道的,這個機器是史無前例的精準。」

這或聽起來沒那麼令人興奮,但是它非常重要,因為強大的磁場是唯一可以控制電漿的高溫封閉持續足夠久的時間讓核融合反應。

核融合是這個世界大部份最有前途的乾淨能源之一,比海水再多一點,它可以用相同的核反應使太陽發光發熱巨大能量。提供了無止盡的能源。

不像「核分裂」(nuclear fission),它是由現在的核能電廠取得,需要進行將一個原子分裂成較小的中子和原子核,而「核融合」(nuclear fusion)是在極度高溫下原子融合在一起產生巨大的能源,並且它不會有幅射廢料或其它副產物。

基於太陽是無止盡的燃燒,核融合也有這樣的潛能供應人類需要的無止盡能源,如果我們能夠知曉如何駕馭核融合反應,那就妥當了。

那其實是相當大的”如果”,因為科學家處理這個問題已超過了六十年了,而我們離目標還有點距離。

主要的挑戰是,為了達成控制核融合,我們必須再造太陽內部同樣的條件,這意味著要建構一個機器能夠生產和控制攝氏一億度(華氏十億度)的電漿氣體封閉熱點。

你可以想像的是,說的比做的容易,然而有許多全世界各地現在正在運轉的核融合反應爐設計都在試圖達到最佳的狀態,W7-X是其中一個最有希望的達成目標的。

代替僅只是以2D磁場來控制電漿的方法,另外採用的是一般知道的「托卡馬克裝反應裝置」(tokamak reactor),這個仿星器是藉由製造彎曲以及3D磁場來運作。

這將使仿星器不需要任何電流便可以控制電漿,這是托卡馬克裝置依循的路徑,產生的結果讓仿星器更加穩定,因為它們可以持續運轉,即便是內部工作環境的電流被中斷。

至少,這是核融合反應裝置設計的概念。

儘管事實傾向機器可以在去年十二月份成功地控制氦電漿,然而更多的挑戰是今年二月的氫電漿,沒有一台核融合裝置的磁場實驗實際展現應得的成果。

為了測量成果,一組來自美國能源部(US Department of Energy)以及德國的馬克斯·普朗克等離子體物理學研究所(Max Planck Institute of Plasma Physic) 的研究人員,在反應爐裝置內沿著封閉磁場注入電子束(electron beam)。

他們利用一個螢光棒,在磁場模型內横掃光線製造光源,你可以看到上圖的結果,展示了應該要形成的彎曲磁場精確型態。

其中一位美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室帶領的研究員Sam Lazerso說:「我們確信我們所建立的磁籠,運作成果和預期相同。」

儘管成功了,W 7-X並不準備從核融合中生產電力,它僅僅只是佐證它可以運轉。

未來西元2019年,反應裝置將會開始利用重氫元素(deuterium)而非氫元素(hydrogen)來製造機器實際的融合反應,然而它將無法生產比現在要求運轉的更多能源。

這會是下一代仿星器希望可以克服的,研究員在新聞稿解釋:「任務才剛開始。」

這並不是明天就會發生的事,然而對於核融合反應爐W 7-X正式可以和法國的「國際熱核融合實驗反應爐」(ITER tokamak reactor)媲美,兩者同時都能夠持續封閉足夠長時間的電漿讓核融合反應,這是令人激動的時期!

現在真正的問題來了,這些機器當中哪一台,會是第一個從核融合反應中帶給我們有效電力的核融合裝置? 實在迫不及待想要知道!

這份研究已在自然通訊(Nature Communications)刊載。

來源:Science Alert

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