避免核融合反應爐過熱,美科學家讓電漿由內而外降溫

作者 | 發布日期 2018 年 11 月 12 日 8:30 | 分類 核能 , 能源科技 follow us in feedly

為了在地球上打造出可與太陽媲美的能量場,科學家孜孜不倦地研發核融合技術,近期美國科學家便研發出新型電漿冷卻方式、讓反應爐「由內而外」降溫,有助於減少電漿破裂(plasma disruption)與反應爐過熱的風險。



核融合開發不易,科學家藉由將氘與氚原子置於高溫或高壓下,其引起的聚合反應會產生中子、氦與大量能量,可利用這些能量來生產電力,只不過聚合反應同時也會釋放出大量熱能,若無法有效控制反應也會導致電漿破裂,至今還沒有一座核融合發電原型可穩定運作,目前尚有諸多障礙待跨。

假如反應爐失控發生電漿破裂,電漿會快速釋放能量並破壞核融合裝置,使內壁蒸發或是熔化,失控的高能量電子束也會導致設備局部受損。

於是科學家為了提升核融合的安全性,已提出不少解決方案,像是將材料從外部射入電漿核心、讓電漿能量可以均勻排出,然而這又會遇到另一個難題,要如何在電漿破裂前把穩定材料從外部注入電漿中心?因此美國物理學會希望可讓電漿由內而外冷卻,從內部防止電漿破裂與電漿失控的風險。

美國能源部的托卡馬克 DIII-D 核融合研究員想出一種辦法,並打造出具鑽石外殼的薄壁結構粒子,其中粒子內部暗藏玄機,內含常用於冷卻系統的硼砂。而實驗指出,該粒子能以每小時 724 公里的速度進入電漿核心,粒子的鑽石外殼在進入電漿中心途中會逐漸分解,進而讓內部的硼砂在電漿核心沉積。

研究認為這種方法可以降低電漿溫度、電漿對核融合設備的重力與高能量電子束生成機率,DIII-D 科學總監 Richard Buttery 表示,團隊能以新技術面對上述 3 種挑戰,並降低核融合設備的受損風險。

新型降溫方式與 DIII-D 先前研發的破碎粒子注射技術(shattered pellet injection,SPI)有著異曲同工之妙,該技術首先運用氫與氖或氬的重同位素(heavy isotope)製成冷凍粒子,並再把它們射入電漿中,這些粒子在觸碰到電漿之前就會碎裂,研究認為這項技術將有助於國際熱核融合實驗反應爐(ITER)的冷卻系統。

團隊未來也會持續鑽研此技術,盼可製造出更複雜的粒子外殼,並提升粒子的電荷負載與穿透速度。DIII-D 研究員 Nick Eidietis 表示,雖然目前防止電漿破裂最佳解決方案還沒有出現,但團隊已在理解與技術方面有所進展,如果這種新型外殼可以緩解電漿破裂的問題,那們它就可以突破核融合當前的障礙。

目前電漿破裂與電漿過熱都是各國核融合科學家的心頭上的針,先前美國麻省理工也提出全新核融合反應爐設計,可打開內部腔室來替換重要零件,有助提升反應爐散熱統與延長設備壽命;美國能源部普林斯頓電漿物理實驗室(PPPL)與普林斯頓大學則是透過人工智慧,運用深度學習來預測與分析電漿行為、避免核融合設備受到損壞,進一步加速核融合進展。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:DIII-D

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