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美国家核聚变实验室将重生 但未来几年仍会落后中国


文章作者:www.csmolecularimaging.com 发布时间:2020-03-01 点击:1420



根据美国科学杂志网站2月6日的报道,普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的物理学家在经过5年9400万美元的升级后,于2016年重新启动了国家球形环实验(NSTX)。

美国PPPLNSTX测试设备

但仅运行10周后,由于一个线圈短路,NSTX再次关闭。这对实验室来说更糟糕。20世纪80年代,PPPL操作了许多机器,雇佣了近1300名员工,并领导了全球对核聚变的追求,核聚变是一种像太阳一样工作的能源。

1994年,PPPL最大的托卡马克聚变试验反应堆(TFTR)短暂地产生了10.7兆瓦的能量,仍然是美国最高的。但是美好的时光并没有持续。在过去的几年里,美国国会削减了能源部的核聚变预算,关闭了TFTR。2003年,美国加入了ITER的工作,这是一个在法国卡达拉奇附近建造的大型国际核聚变反应堆。这一承诺使得美国的核聚变研究更加困难。2008年,能源部取消了在PPPL的另一个未完成的聚变反应堆,导致实验室领导层的改组。目前,PPPL有560名员工。它的一台大型机器NSTX在故障发生三年后闲置了。

但是现在机会来了。经过多年的能源部审查,PPPL研究人员预计今年4月开始重建NSTX。一年前,国家科学、工程和医学研究所(NASEM)的一份报告敦促美国不仅要坚持ITER(这项工作严重超出预算和进度),还要准备在ITER之后制造类似的设备。这将是一个原型发电厂,比ITER更小更便宜,PPPL可能在建设中发挥主导作用。

美国物理学家将PPPL视为美国核聚变项目命运的领导者,该项目在全球公开核聚变研究中的份额已降至六分之一。然而,实验室在自救的道路上仍然面临障碍。

NSTX装置看起来像一个外星飞船。这个两层的球体位于由管道和电缆组成的茧中。它的主磁铁的红色线圈飞出拱门。在球体内部,铜板和石墨砖衬在银壁上。在运行过程中,一个加热到1亿摄氏度、比太阳核心还要热的稀疏等离子体被注入真空室。注入的微波和搅动的磁场将加热和挤压等离子体,并在室内每秒钟旋转40,000次。

等离子体由氘组成,氘是氢的一种较重的同位素。它的目标是使氢达到它能熔化形成氦的温度和压力。这些反应释放能量,能量被自由飞行的中子带走。用氚(较重的氢同位素)代替一些氘可以使反应自我维持。这种核聚变可以提供丰富的无碳能源,并且产生非常少的放射性废物。在过去的半个世纪里,这种前景照亮了PPPL。然而,在2019年10月的一个下雨的周一早上,实验室异常安静。

世界上几个主要的托卡马克核聚变实验装置

在美国能源部关闭TFTR后,PPPL的研究人员开发了两个更小更激进的装置,它们各有优势:NSTX和NCSX。NSTX是一个更传统的设计。传统的托卡马克具有甜甜圈的形状。但是像NSTX这样的球形环就像一个有核的苹果。2001年,PPPL开始了另一个项目,名为“国家小型恒星发生器实验(NCSX)”。然而,到2008年,在它应该完工的一年后,它的成本几乎增加了两倍,达到1.7亿美元。能源部取消了这个项目。还有NSTX升级后的失败,该升级旨在使其磁场强度翻倍。调查发现,除了线圈短路,NSTX还有很多问题。

目前在PPPL,首要任务是让NSTX再次参选。PPPL的研究人员已经开始制造新零件,并计划在2021年夏天开始运营NSTX。

2018年12月的NASEM报告敦促美国在21世纪30年代建造一座原型发电厂,作为ITER的继任者。使用创新技术,如由高温超导体制成的强大电磁线圈,紧凑型测试工厂将比ITER这个250亿美元的庞然大物更小更便宜。建立共产党的呼吁可能有助于解决PPPL的问题。

还有钱的问题。NASEM的报告呼吁美国每年增加2亿美元的核聚变研究。国会将把能源部聚变能源科学预算从2019财年的5.64亿美元增加到今年的6.71亿美元。然而,所有这些增加将归因于国际热核实验反应堆(ITER)。国会是否会继续增加核聚变预算还有待观察。

中国循环器2号M是目前除ITER装置外最先进的核聚变试验装置。

目前,除了国际合作的ITER装置外,最先进的核聚变试验装置是中国的“环行器2号M”装置,计划于2020年投入使用。该装置的等离子体温度将达到2亿摄氏度。似乎美国的PPPL设备在未来几年将落后于中国。

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