美工程師擬用可控核聚變反應堆“人造太陽”
人類研究可控核聚變裝置，有朝一日將成為位于軌道上的人造太陽
騰訊科技訊 （Everett/編譯）據(jù)國外媒體報道，位于美國中西部印第安納州西拉法葉城的普渡大學的核工程師開發(fā)了一個用于核聚變反應堆的新設備。該設備已經(jīng)被安裝在普林斯頓大學的實驗性質(zhì)的核聚變反應堆中，主要用于精確地觀察當極高溫等離子體在反應堆內(nèi)表面接觸并相互作用的情況。該項工作旨在了解等離子壁的相互作用機制，以幫助核物理學家開發(fā)能夠承受核聚變反應堆內(nèi)極端的物理條件，而這里所指的聚變堆就是被稱為托卡馬克核聚變裝置。該項目是由美國能源部通過，美國國家能源部核聚變能源科學辦公室具體負責。
托卡馬克核聚變裝置是一個基于使用大規(guī)模核聚變反應以產(chǎn)生“無限能源”的反應堆，也是國際熱核聚變實驗堆計劃。核聚變是通過兩個輕核通過核反應形成一個較重的核和一個輕核的過程，該過程中產(chǎn)生的質(zhì)量虧損將釋放出巨大的能量。目前核武庫中的氫彈就是一種不可控的核聚變裝置，就如太陽表面永不停息的能量釋放一樣，而如果該能量能被人類所掌握，并在受控情況下進行核反應，明顯可以產(chǎn)生近乎無限的清潔能源。核聚變反應是通過如氘和氚的核反應，可取自海水，而核裂變反應產(chǎn)生的放射性污染比核聚變大得多。
根據(jù)核物理學家計算，核聚變反應堆所產(chǎn)生的能量是傳統(tǒng)我們所用的核裂變反應堆提供能源的10倍以上，不僅聚變堆具有取之不盡的原料，所帶來的污染也很小。據(jù)該校核工程的副教授吉恩保羅（Jean Paul Allain）介紹：目前在核聚變反應堆內(nèi)，我們是通過磁場來約束高溫等離子體的運動，這是因為如此高溫的等離子體幾乎沒有材料能承受得了，所以要用磁場約束它的行為，這也是核聚變反應堆中的最大挑戰(zhàn)之一，我們也必須了解等離子體在聚變堆內(nèi)的對內(nèi)壁的產(chǎn)生的作用。這也是一個很大的未知數(shù)，畢竟我們看不到等離子體與內(nèi)壁之間具體發(fā)生了什么情況。
目前，普渡大學的研究人員正在普林斯頓大學的等離子體物理實驗室，操作著全美最大的球形托卡馬克反應堆，這個反應堆也被稱為美國國家球形環(huán)實驗。在具體的實驗操作中，核物理的研究人員將會使用材料分析粒子探針連接到托卡馬克裝置的下部，這些定制的探針必須做得足夠的小，以適應反應堆的情況。吉恩保羅核工程副教授認為：這同時也是一個工程學上的壯舉，如此小的探針必須匹配幾英尺高的儀器套件，這類微型的材料將置入反應堆內(nèi)部，在高溫等離子體與反應堆內(nèi)壁之間存在，并直接接觸到高溫等離子體的行為以及所帶來的反應。
而開發(fā)這種適應與內(nèi)壁的材料之所以具有非常重要的意義，是因為在極端物理條件的核聚變反應堆內(nèi)部，還必須用磁場對高溫等離子進行行為上的約束，而材料直接接觸到如此高的溫度，大約在數(shù)百萬攝氏度，自然還產(chǎn)生各種預想不到的變化，這同時也是核聚變反應堆內(nèi)壁涂層的主要挑戰(zhàn)。而在以前，核物理學家主要通過薄膜材料誘導等高溫離子體的行為。
吉恩保羅副教授認為：我們目前還不清楚是什么樣的機制在其中工作，之前主要是通過Edisonian方法所總結(jié)出來的經(jīng)驗定律，也就是通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)或者總結(jié)出的適合于核聚變反應堆的材料。而如果我們需要達到完美的核聚變反應，并掌握這種“無限能源”的技術，就需要清楚其中的所有機理。因而，該探針的工作目的就是要提供涂層材料在高溫等離子體條件下如何變化以及等離子體本身相互作用產(chǎn)生變化的信息。這些得到的數(shù)據(jù)將有助于研究人員開發(fā)出新的材料應用于反應堆壓力容器內(nèi)部。
然而，目前核聚變物理上還沒有能維持這些極高溫的等離子體和熱通量所需的材料，一些材料一旦接觸到高溫等離子體，就會唄馬上分解融化，更不用說來坐核聚變反應堆內(nèi)部的材料了。因而，研制這些材料，首先要弄清楚如何操作和控制反應堆的內(nèi)壁，以及高溫等離子體與內(nèi)壁接觸時作用的變化。
目前在分析高溫等離子體對內(nèi)壁材料的影響是將運行大約一年之后，從反應堆內(nèi)將用于測試的樣本取出進行分析。因此，吉恩保羅核工程副教授領導的研究小組也與普渡大學的納米技術研究中心的研究人員進行合作，以分析在普林斯頓大學托卡馬克核聚變裝置中使用的內(nèi)壁測試材料。這也是新型探針所具有的使命，允許核物理學家研究在高溫等離子體條件下，內(nèi)壁上的材料與等離子體間的相互作用的情況，最后我們將新的材料分析數(shù)據(jù)集成，用于創(chuàng)建新的計算模型，指導新材料的設計，并應用到這個托卡馬克裝置中。
研究人員布賴恩海姆與肖恩在今年的夏季于普林斯頓大學，花了六個星期設置整套儀器。詳細的實驗結(jié)果在芝加哥舉行的第24屆核聚變工程研討會和由普渡大學核工程專業(yè)主持的第38屆國際等離子體科學會議上進行了論述，具體文檔信息將在明年的《等離子體科學》期刊上發(fā)表。據(jù)吉恩保羅副教授介紹：該設備是可以完全遠程控制，通過相關的遠程控制軟件實現(xiàn)，原則上可以認為在世界的任何地方都可以控制，因而，國際上的核工程研究人員有機會也可以申請使用。
該項目的首席研究員布賴恩海姆（ Bryan Heim），他與吉恩保羅副教授在本科階段就開始關于核聚變反應堆的相關研究工作。該項目中還涉及到其他核工程專業(yè)的學生：博士生張揚（Zhangcan Yang，音譯）和泰勒（Chase Taylor），以及參與研究人員：肖恩（Sean Gonderman）、米格爾岡薩雷斯（Miguel Gonzalez）、薩米（Sami Ortoleva）和埃里克科林斯（Eric Collins）。
