磁悬浮半吨超导体,模拟地球磁场,进行核聚变 转帖(貌似是不错的教学贴)

新闻来源:我和信息 – iand.info
受控核聚变一直是政府和科学界愿意花大价钱研究的项目,因为这关系到人类未来的能源,现在的聚变项目很多采用托卡马克装置,包括花费需100亿欧元的国际 热核实验聚变反应堆.最近,科学家们使用一块半吨的超导磁铁,使之悬浮在空中,通过模拟地球磁场来控制聚变等离子体,实验得到了不错的结果.

       我们先看下核聚变,一般核聚变使用的燃料是氘(D)和氚(T),两者都是氢(H)的同位素,区别在于氢没有中子,而后两者分别带有1个和2个中子.”聚 变”代表两个原子结合放出能量,对应的”裂变”为一个原子分裂为两个原子放出能量,原子弹对应着裂变,而氢弹是聚变,人类现在还无法控制核聚变,如今的发 电站都是裂变发电,聚变比裂变放出的能量更多,而且氘和氚可以从海洋中提取,每升海水提取原料的聚变能量相当与300升汽油,如果人类掌握了受控聚变反应 的话,那接下来几十亿年的能源问题就容易解决了.

       发生核聚变的条件是原子核之间突破库仑力,靠的足够近,两个原子核能撞在一起,反应这样才能开始,并且需要保持这状态足够长的时间,这样才能有效的利用核 聚变能.理论计算得出把反应物加热到一亿度反应才能充足的发生(温度稍微低些也能反应,但这时聚变放出的能量还没我们加热给予的多,这样就不能发电了), 加热这步已经有许多技术可以实现.而维持长时间的反应仍是个问题,对于一亿度的高温,还没办法制造个容器把反应物关在其中.所以需要找些特殊的方法.

       一亿度时反应物是什么状态呢,大家知道随着温度的上升,物质会由固态转为液态,继续加热会变成气态,如果再继续呢,这时电子会和原子核分离一段距离,这时 称为等 离子体,等离子体在地球上含量不多(但还是很容易见到,比如荧光灯灯管中,闪电,极光等),但在宇宙中,99%的可见物质处于等离子状态.太阳中 心0.2个半径内温度很高,不断的发生等离子体的聚变反应,氢核聚变为氦核,这就是太阳光的来源.太阳质量很大(地球的333400倍),能够靠本身的引 力来约束等离子体,维持反应.

       高中物理学过,在磁场中,带电粒子受到洛仑兹力,这时带电粒子在磁力线垂直方向作环形运动.一亿度时,等离子体由带正电的氘核和氚核,带负电的电子构成 (平常原子显中性,这时分离开一段距离后后会在小范围内显示各自的电性,但等离子体中原子核与电子没有完全分开,所以大范围还是电中性),这就有了方法, 如果我们给予一个极强的磁场,那就可以使高温等离子体绕圈运动,而不是到处扩散.最为著名的等离子体约束装置托卡马克就是这原理,这儿直接摘录维基上对托 卡马克的介绍:托 卡马克(Tokamak)的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐 莫维齐等人在1950年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室(有点像轮胎),外面缠绕着多组一定形态的线圈。真空室内充入一定气体,在灯丝的热电 子或者微波等预电离手段的作用下,产生少量离子,然后通过感苏联应或者微波、中性束注入等方式,激发并维持一个强大的环形等离子体电流。这个等离子体电流 与外面的线圈电流一起,产生一定的螺旋型磁场,将其中的等离子体约束住,并使其与外界尽可能地绝热。这样,等离子体才能被感应、中性束、离子回旋共振、电 子回旋共振、低杂波等方式加热到上亿度的高温,以达到核聚变的目的。

       目前最大的核聚变项目ITER(国 际热核聚变实验反应堆)即利用了托卡马克结构,此项目需耗时30年(进行中),耗资约100亿欧元,是排国际空间站之后的第二大科技投入.托克马 克是现今最成熟的磁约束装置,但人们还在不断的寻找新的方法.

       类似地球,木星这样的行星具有磁层,它们的偶极磁场能够束缚高温高压的电离物质.最近,哥伦比亚大学的MIcheal Mauel和他的同事们受到上述行星磁场的启发,做了初步的实验,名为悬 浮偶极实验(Levitated Dipole Experment,LDX).他们利用强磁场把一块半吨重的电磁铁悬在空中,并加入各种不同参 数的等离子体,实验证实某些等离子体的扰动会导致密度的增加,这是聚变反应关键一步.这个方法对比托卡马克的优势是产生的偶极磁场中没有扭曲的和螺线形的 磁力线,这样等离子体从边缘进入高温中心的过程中不会损失能量,托卡马克常用具有放射性的氚作为反应物,氚又需要使用氘来合成,而使用悬浮偶极装置可以直 接使用氘做反应物,更为方便无污染.

       这次的实验注入的等离子体约为1000万度,Munuel想在接下来的实验中注入更高温度的等离子体来增加聚变机率,此次实验发表在2010年1月24日 的Nature physics上.

LDX报道:Planetary physics shrunk into a lab as MIT pursues fusion

LDX论文:Turbulent inward pinch of plasma confined by a levitated dipole magnet

LDX演示:http://www.psfc.mit.edu/ldx/ldx_daily_op.html

LDX视频:http://v.youku.com/v_show/id_XMTQ5Njg2NDA0.html

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