美探索電漿反應機制,有助提升核融合運作穩定性

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 14 日 15:45 | 分類 尖端科技 , 核能 , 能源科技 follow us in feedly

若想要把核融合帶出實驗室、成功在地球上打造一顆「恆星」,科學家首先得找出穩定核融合反應爐內電漿的方法,而近期普林斯頓大學電漿物理實驗室(PPPL)提出一項解決方法,有望讓將來的核融合反應爐順利運作。




核融合為備受看好的未來能源技術,有望以安全且無排碳方式產生大量電力,可提供的能量遠遠超過現在的核分裂技術,然而到目前為止科學家還沒找出穩定反應爐運作的方法。

該技術是將氫的兩種同位素氘、氚原子結合,形成一個較重的原子核與一個較輕的原子核,而若要進行核融合反應,得將物質的溫度提高使原子核和電子分開,進而形成電漿,最後科學家再利用強大的磁場來控制與封閉電漿。

核融合電廠研發不易,從製造耐高溫設備、提高電漿溫度到穩定電漿都存在考驗且環環相扣,此次 PPPL 便想要解決電漿中撕裂波模(tearing mode)的難題,其中撕裂波模就是磁力線結構重連,把不同方向的磁力線結合形成磁島(magnetic islands),磁島成長就會造成電漿不穩定,讓科學家無法有效控制核融合反應導致電漿破裂,進而使反應爐設備受損。

過去科學家也有想要解決這項物理挑戰,1980 年代時他們發現,用射頻來驅動電漿中的電流可以穩定撕裂波模,進一步降低電漿破裂風險,但最近 PPPL 研究指出,一旦射頻功率超過關鍵閾值,電漿溫度變化等擾動也可以改善穩定性。

科學家表示,電漿溫度變化的擾動會影響電流驅勵強度以及在磁島內部的射頻功率,這會在溫度擾動與射頻功率之間形成非線性回饋機制,而當回饋機制與電流驅勵-溫度擾動的靈敏度相結合時,就能大幅改善電漿穩定性,科學家則稱這種狀態為「射頻電流凝聚(RF current condensation)」。

PPPL 理論物理學家 Allan Reiman 表示,當磁島內的射頻功率超過臨界值,電漿溫度就會快速升高,進而增強穩定效果。因此普林斯頓大學與能源部都認為這項研究將對世界上最大的核融合實驗反應爐 ITER 大有裨益,可為預訂在 2025 年完工的核融合測試反應爐鋪平道路。

Reiman 指出,過去人們會擔心磁島成長會中斷核融合反應,新技術或許可讓 ITER 反應爐內的電漿更加穩定。

(首圖來源:ITER

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