更安全的核聚变用于能源生产

核聚变通过将氢转化为氦来控制和定期发电，并在小范围内再现我们太阳中实际发生的事情，这是未来最重要的技术前景之一。

被称为ITER(拉丁文“道路”的意思)的反应堆原型目前正在法国南部建造，其设计目的是达到超出之前实验室实验获得的参数。它的设计容量为500兆瓦，计划于2025年投入使用。ITER财团的成员包括中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国。这项大型工程的成本预计将超过248亿美元。

然而，ITER不会向电网提供电力，但它将是第一个产生净能量的托卡马克。这将使科学家们能够更多地了解如何处理核聚变的多种复杂技术，为真正利用核聚变向电网供电的机器铺平道路。托卡马克一词来自俄语中带有磁线圈的环形室的首字母缩写。

然而，要使这一计划成功，关键是要确保核聚变过程能够自我维持，并防止通过电磁辐射和阿尔法粒子(由两个质子和两个中子组成的氦原子核)损失能量，因为这些损失将使反应堆冷却。过去20年观测到的实验结果表明，不同托卡马克的等离子体喷射快离子(包括α粒子)的方式差异很大。直到最近，还没有人知道是哪种实验条件决定了这种行为。

通过Vinícius Njaim Duarte的工作，这个问题现在稍微清楚了一点，他是一位巴西研究员，最近在São保罗研究基金会的支持下获得了博士学位。Duarte目前在美国普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)从事博士后研究。

杜阿尔特是这篇文章的主要作者托卡马克中快速离子本征模失稳引起非线性结构的理论和观察．"

预测证实

Duarte的研究引起了广泛的关注，美国最大的托卡马克DIII-D，由加利福尼亚州圣地亚哥的通用原子公司开发和运行，专门进行了实验来测试他提出的模型。结果证实了模型的预测。

托卡马克中快速粒子激发的电磁波可以显示频率的突然变化，行话称为啁啾。没有人明白为什么这种情况发生在某些机器上，而不是其他机器上。利用复杂的数值模拟和实验数据，Duarte证明了啁啾是否发生——因此粒子和能量损失的本质——取决于托卡马克中等离子体的湍流水平，核聚变反应就是在托卡马克中发生的。如果不是高度湍流，就会发生啁啾。在严重的湍流中，没有啁啾，”物理学家里卡多·马格努斯Osório Galvão说，他现在是巴西国家空间研究所(INPE)的主任，也是杜阿尔特在São保罗大学物理研究所(IF-USP)的前博士导师。

为了使这一发现的意义易于理解，有几点必须加以说明。

聚变而非裂变

首先，值得回忆的是，我们讨论的过程是核聚变，而不是世界上现有核电站使用的核裂变过程。在裂变过程中，重元素的原子核，例如铀235，分裂成较轻元素的原子核——在这种情况下是氪和钡。这种裂变会释放能量、电磁辐射和中子，这些中子反过来在链式反应中分裂，使这个过程继续进行。

核聚变的工作原理不同。在这个过程中，较轻元素的原子核，如氢的同位素氘(一个质子和一个中子)和氚(一个质子和两个中子)，聚变形成较重元素的原子核——在这种情况下，氦(两个质子和两个中子)——并释放能量。

Galvão表示:“要使核聚变成为可能，就必须克服正离子之间的静电排斥。”“只有当由轻元素原子核形成的电离气体(等离子体)被加热到极高的温度，即几千万到几亿摄氏度时，才会发生这种情况。”

例如，在ITER中，840立方米的等离子体将被加热到1.5亿摄氏度，这是太阳核心温度的十倍多。Galvão说:“在这种温度下，你就能达到能量盈亏平衡:聚变反应释放的能量足以等同于加热等离子体所需的能量。”

这个过程在托卡马克的环形腔内进行。托卡马克是20世纪50年代由苏联物理学家伊戈尔·叶夫根耶维奇·塔姆和安德烈·萨哈罗夫发明的，他们的灵感来自于他们的同事奥列格·拉夫伦蒂耶夫的一个原创想法。环面形状像甜甜圈或内胎。表面所包含的固体称为环面。

从真空开始

核聚变过程发展如下。在腔室中产生真空，然后充满气体。放电使被高频无线电波加热的气体电离。

在环形室中诱发的电场使气体在DIII-D的情况下受到100万安培的极强电流，通过焦耳效应进一步加热气体。电磁波还会注入更多的能量，直到达到触发核聚变所需的温度。即使是一个小型托卡马克，比如安装在São保罗大学的托卡马克，也能达到数百万度的温度。

Galvão说:“在这些极高的温度下，离子振动非常强烈，以至于它们碰撞并克服了静电斥力。”“强大的磁场限制了等离子体流动，使其远离容器壁。高能α粒子(氦核)与等离子体中的其他粒子碰撞，使其保持高温并维持聚变反应。”

Galvão提出了一个类比，用潮湿的木头生火，一开始不容易着火，但在达到一定温度后最终会燃烧起来，稳定更稳定的燃烧产生足够的能量来克服湿度。在等离子体的情况下，据说当α粒子开始不断地反馈到这个过程中时，它就达到了燃点。

更安全的融合

核聚变相对于裂变的诸多优点之一是核聚变涉及一种自我控制机制:一旦达到燃点，如果这个温度水平明显超过——如果等离子体过热——反应就会自动减慢。因此，反应堆熔解是核裂变发电厂事故中最危险的并发症之一，在核聚变工厂中不可能发生。

问题是阿尔法粒子和等离子体中存在的波之间的共振相互作用可以激发电磁振荡，甚至导致阿尔法粒子的喷射。这可能导致能量损失，等离子体冷却，并可能中断核聚变。了解这一问题的原因和可以防止这一问题的因素，对于确保这一过程的可持续性和将核聚变用作可行的电力来源至关重要。

Duarte发现，如果等离子体不是非常湍流，这种结果会以一种自组织的方式发生，伴随着啁啾的产生。然而，如果湍流很大，就不会。”Galvão说。

Galvão说，问题的关键在于，在高度湍流的流体中，没有优先方向，并提供了另一个类比来帮助说明他的意思。

“当你慢慢加热水时，你在容器中创建了一个对流细胞。热水上升，冷水下沉。这种情况一直持续到所有的水都达到沸点。”“然后，介质变得湍流，对流单元被破坏，能量不分青红皂白地向各个方向扩散。这在磁约束等离子体中也会发生。它的发生阻止了一个自组织系统的产生，该系统维持了一个不受欢迎的相关电磁波。没有足够的相干性来产生波。因此，结束聚变过程的能量损失不会发生。”

格雷戈里·黑尔是《工业安全与保安来源》(ISSSource.com)，这是一个新闻资讯网站，内容涵盖制造业自动化领域的安全及保安事宜。本内容最初出现在ISSSource.com．ISSSource是CFE Media的内容合作伙伴。由CFE媒体制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，cvavra@cfemedia.com．

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