人类向终极能源又迈进一步,MIT核聚变实验堆创纪录突破


麻省理工学院10月14日在官网宣布,麻省理工学院等离子体科学和聚变研究中心的科学家和工程师又向受控核聚变的实现迈进了一大步,该校离子体科学和聚变研究中心的Alcator C-Mod托卡马克聚变堆在最后一次实验中创造了一项世界纪录——Alcator C-Mod的等离子体压强超过了2个大气压。高压等离子体是实现可控核聚变的关键因素,这个记录将该装置自己于2005年创下的最好成绩又提高了15%。


Alcator C-Mod项目的负责人、资深科学家厄尔·马尔马(Earl Marmar)将在今天日本东京举行的国际原子能机构聚合能大会(IAEA Fusion Energy Conference)上公布实验结果的具体数据。


▲  可控核聚变一旦实现,人类将获得几乎取之不尽的、安全的、清洁的能源。以上视频展示了麻省理工退役的AlcatorC-Mod托卡马克核聚变实验装置的内部情况。在这位老兵退役之前的最后一个实验日中,它刷新了等离子体压强的世界记录。


由于具有无污染、原料几乎取之不尽(可以直接使用海水)、安全性高并且发生事故危害较小等优点,核聚变长期以来一直是人类渴望的“理想能源”。从上世纪50年代开始,人类就开始了可控核聚变的相关研究。


麻省理工学院的Alcator C-Mod核聚变反应堆设备于1993年投入运行,至今已服役23年,按计划在美国东部时间9月30日关闭。Alcator C-Mod是利用高强度磁场约束高温等离子体的托卡马克反应堆*,是全球所有聚变反应堆中磁场最强、等离子体压强最高的聚变反应堆


*托克马克(Tokamak)又称环磁机,是一种利用磁约束来实现磁约束聚变的环性容器,同时也是用于生产受控热核核聚变能中的一个最深入研究的候选类型。托卡马克这个词源于俄语单词токамак,是环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)四个单词的缩写。


在最后一次运行中,Alcator C-Mod等离子体高压突破其前世界纪录,再创新高,华丽谢幕等离子体压强是核聚变反应产能的关键因素,MIT最新的实验结果首次达到超过两个大气压,为人类创造更加清洁、安全的能源带来崭新希望。


50多年前,理论物理学家已经证明,若要在地球实现可控核聚变,那么等离子体必须满足三个条件:


  • 温度必须高于5千万摄氏度;
  • 必须在高压下保持稳定;
  • 必须被约束在一个特定的空间中。


等离子体加热实验


这三个条件再落实到具体参数细节上,就是等离子体的粒子密度、约束时间和温度这三个参数的乘积必须不低于某个阈值(也叫作“triple product”)。达到该阈值后,拘束核聚变才能产生正能量输出,即释放的能量大于所消耗的能量。由于压强是密度和温度的乘积,因此,输出能量的大小和它的平方成正比,也就是说,压强达到原来的2倍,释放的能量会达到原来的4倍。基于这个原因,压强成了可控核聚变的关键指标之一。


在Alcator C-Mod托卡马克聚变实验装置23年的服务生涯中,它已经多次刷新了磁约束聚变等离子体压强的世界记录。2005年,阿尔卡特C型装置制造了1.77个大气压的世界记录。如今,2.05个大气压世界记录又在2005年记录的基础上提高了15%,对应的温度达到3,500万摄氏度,是太阳核心温度的2倍。


Alcator C-Mod装置是世界上第三台强磁场托卡马克,具有世界唯一的先进腔体结构,属于紧凑型强磁场核聚变托卡马克装置。Alcator C-Mod装置中的等离子体每秒发生300万亿次聚变反应,其中心的磁场强度达到5.7特斯拉(地球磁场的11.5万倍)。等离子体中的电流强度达到140万安培,等离子中的核聚变功率高达400万瓦。等离子体的体积只有1立方米,持续时间为2整秒相较于其他体积相仿的非托卡马克磁约束聚变系统,Alcator C-Mod装置的磁场强度要大出50倍,而对比于其他托卡马克装置,它的等离子体压强则至少高出70%。



▲结果喜人,The Alcator C-Mod课题组欢腾一片



唯一有可能打破Alcator C-Mod装置记录的是在建中的国际热核聚变实验堆(ITER)。ITER同为托卡马克装置,容积比AlcatorC-Mod装置大800倍,但是磁场却不如AlcatorC-Mod装置强。根据美国能源部的最新报告,ITER在2036年投入使用后,预期能产生2.6个大气压的等离子体,换句话说,现在这个记录,至少还可以保持15年此外,Alcator C-Mod装置自运行至今,始终作为能源实验的核心,成就了成百上千的科学家和工程师,启发了将近200篇相关博士论文、项目合作以及科学突破。可以说,Alcator C-Mod是一整代等离子科学家的训练场


为什么MIT的AlcatorC-Mod反应堆对未来聚变能研究如此重要?视频来源:麻省理工核能科学和工程(MIT Department ofNuclear Science and Engineering)


然而,尽管Alcator C-Mod装置在聚变研究中做出了辉煌的贡献,它也受困于“巧妇难为无米之炊”——2012年,其主管部门美国能源部决定,为了给ITER项目腾出资金,在国会的最后一笔为期三年的资助在今年9月30日到期后Alcator C-Mod装置必须关闭。


一直以来,政府官员在是否支持核聚变研究上争论不休。白宫希望2017年财政部4.38亿美元的聚变科学项目总预算削减9.2%。参议院甚至想要进一步削减至2.8亿美元,但是要求保持ITER项目投资不变,将经费重分配给其他能源项目。由此看来,想要在核聚变能源项目上达成预算一致,美国立法者还要忙活几个月。




Alcator C-Mod实验室一角



并未谢幕,或将满血复活


厄尔·马尔马(Earl Marmar)从2002年起开始担任Alcator C-Mod项目负责人,在他的指挥下,Alcator C-Mod托卡马克反应堆“马力全开、奋力冲刺,并从未退缩”。马尔马说:“最后几年,我们确实加了把劲。结果,我们获得了新的结果,并且没有损坏设备。即便此刻,我们依旧有许多新的想法等待实施,C-Mod时代结束尚早。”据马尔马称,“政府提供资金支持保证C-Mod处于安全关闭状态。虽然目前并没有计划,但或许将来某个时机,C-Mod会满血复活。目前,我们正超新的方向努力。”


丹尼斯·怀特(Dennis Whyte)是等离子体科学和聚变研究中心主任,同时也是麻省理工核能科学和工程系主任。他也表示:“虽然目前我们正在寻求其他合作,但没有任何地方像C-Mod一样有家的感觉。但是,我们会竭尽所能,将这里学习和积累的经验用在其他托卡马克设备上。”Alcator C-Mod的收官运行,让所有人惊艳——再次打破极限,创下磁场约束高温等离子体压强的最新世界纪录。C-Mod设备中高温等离子体压强高达2.05大气压,比世界上任何其他托卡马克反应堆的表现优异将近一倍!


怀特说:“关键的不同之处还在于C-Mod的运行技术:高强度磁场。C-Mod的完美表现,足以证明高强度磁场核聚变科学已经蓄势待发。即便是ITER这样耗资巨大的工程,目标也仅仅是获得2.8个大气压,并且是20年后的目标!”


当麻省理工学院正为其空前的成功欢呼雀跃时,普林斯顿大学的核聚变科学家却有些忧伤。早些时候,他们刚升级的核反应堆因为线圈故障而被勒令下线一年之久。由此一来,美国目前只剩下一个主要的核聚变反应堆尚在运行,这是核聚变科学发展的又一个挑战



Alcator C-Mod实验室一角



但是怀特教授信心满满:“我们集聚了不可思议的核聚变科学家和工程师团队,C-Mod实验室培养的开阔思维以及协作精神将继续发挥作用,培养的学生正在继续研究并尝试实用化。每个人都激动不已,我们希望乐观精神一直都在。我们要放眼整个世界,加速核聚变科学的发展。


核聚变科学发源于MIT


麻省理工学院等离子体科学与聚变中心(Plasma Science and Fusion Center)副主任马丁·格林沃德(Martin Greenwald)正在努力申请新的项目。格林沃德说:“C-Mod的关闭只是章节性的结束,新的篇章即将开启。设备都有生命周期,它们运行的时候,我们做研究;关闭的时候,我们仍然要继续做研究。”格林沃德称,当今聚变科学领域许多最有影响力的概念都发源于MIT。早在1971年,首部申请专利的Alcator反应堆设备就已经聚焦于研究高强度磁场聚变方法。格林沃德说:“当时我们的磁场研究组发明实现超导磁体的方法,基本上成为今天聚变科学默认的基础,应用于各大核聚变设备。而现在,我们想继续推进磁体技术发展。”


如果要进行核聚变反应,首先就必须提高物质的温度,使原子核和电子分开,处于这种状态的物质称为“等离子体”(plasma)。这种温度需要超过1亿℃,远远高于太阳核心的温度。这种情况下,磁场是将高温等离子体与反应堆墙壁隔离的唯一可靠方法。格林沃德说:“目前,我们已经在C-Mod上获得了必要的等离子浓度和温度,但是由于Alcator反应堆相对较小,产生能量和消耗能量相当。”


目前,核聚变科学家的研究重心都在于寻找一种使聚变反应堆获得能源净产出的方法。建设类似ITER的巨型托卡马克反应堆设备需要极大的付出,目前ITER项目的国际总支出已超过500亿美元,是原来预计的10倍。预计2027年之前还不能进行能源实验,这已经落后计划10年之久。


然而,格林沃德称或许另有他法。格林沃德指的是麻省理工学院的“ARC核聚变反应堆”,ARC的名字来源于科幻电影《钢铁侠》“Affordable(经济),Robust(强劲),Compact(简洁)”。ARC反应堆是更依赖于先进的材料和磁场技术的小型、模块化反应堆,甚至能够缩减至大型反应堆尺寸和预算的十分之一。


当然,想要开始ARC的研究和实验,麻省理工学院需要寻求私人资助。高级偏向器试验(Advanced Diverter Experiment,ADX)是MIT的另一个项目,其大小和C-Mod相近,但设计却不同。ADX将帮助研究者掌握更多聚变环境下高温等离子体行为、等离子体与材料表面的相互作用以及结构材料的行为等,以便解决核聚变试验中遇到的关键问题。麻省理工学院现已经提请能源部给予ADX资助。



Alcator C-Mod实验室一角


年轻的创新主力


十年前,丹尼斯·怀特正是奔着核聚变项目来到麻省理工学院,或者更具体来说,怀特看到MIT的学生能在世界顶尖的聚变反应堆设备上学以致用、动手实践。怀特现任麻省理工学院核科学与工程系主任,并兼任PSFC主任。他说:“如今,C-Mod一线试验人员大约1/3是学生,年轻人是创新的主力,他们反思旧理论并为聚变科学领域注入新的创新力量,他们引领着现代研究方法的发展。”


怀特团队的年轻化正表明了这一点,17个人中9个年龄都在40岁以下。怀特说:“新一代年轻的核聚变科学家的创新动力是无限的。仅仅在几年前,我们觉得还不能获得能源净产出。但好像突然间,我们就有了机会发明更简洁、高效的反应堆设备。”这实际上得益于新一代超导材料以及Alcator C-Mod开拓的新设计方法的发展,更加确定了使用高强磁场来实现聚变能源的优势


“这就是麻省理工学院伟大的原因。这里集聚这充满创造力的年轻人,这里赋予他们重新思考和大胆尝试的活力,驱动他们通过奉献和天赋让世界变得更加美好。并且,他们也做到了。”





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