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應對能源危機,他們造了一個「太陽」


2013年10月29日,德國馬克斯普朗克研究所,工作人員在講解國際熱核聚變實驗反應爐如何運作。  攝:Sean Gallup/GETTY
2013年10月29日,德國馬克斯普朗克研究所,工作人員在講解國際熱核聚變實驗反應爐如何運作。  攝:Sean Gallup/GETTY

太陽每分每秒都在發生着核聚變(Nuclear Fusion),在這一過程中,兩個質量較小的原子核通過融合而發生質量虧損,從而轉化為巨大的能量(根據愛因斯坦著名的質能轉換公式 E=mc2)。科學這把雙刃劍讓人類既可以實現氫彈爆炸這類不受控核聚變,也可以製造出仿星器(Stellarator)等可控核聚變裝置,以獲得我們亟需的新能源。

德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所(Max Planck Institute for Plasma Physics)於近日成功開啟了世界上最大的仿星器反應堆“Wendelstein 7-X”(簡稱“W7-X”),這個被稱為「人造太陽」的裝置將來或許能為人類帶來無窮盡的廉價清潔能源。

W7-X 項目共投資10億歐元。始於2005年的這一計劃經歷了一些波折,直到今年10月才宣告建成。12月10日,W7-X 通過對惰性氣體氦氣進行加温,製造出了氦等離子體(氣體持續受熱後,分子分解為原子並發生電離,形成由離子、電子和中性粒子組成的物質形態,稱為等離子體;詳見「端百科」),並持續了十分之一秒。

我們從惰性氣體氦氣開始製造等離子體,明年我們才會換成真正的研究對象——氫等離子體,因為將氦氣變成等離子體更為容易,我們還能用氦等離子體清潔容器表面。

項目負責人 Thomas Klinger

實現對超高温等離子體的長時間約束是核聚變反應堆設計最重要的一環,因為這意味着可以控制核聚變的開始和停止。目前常用的托卡馬克裝置(Tokamak)以環形封閉磁場約束等離子體來實現受控核聚變;與之相比,W7-X 安全性更高,並且每次可連續約束超高温等離子體長達30分鐘,是前者的數倍。

核聚變已成為解決全球能源問題的主要選擇之一,它比目前核電站普遍使用的核裂變(Nuclear Fission)技術產生的核廢料更少,放射性也會在短期內消失。從原料上來看,以氫的同位素氘和氚進行的核聚變反應,其原料可直接取自海水,幾乎可以説是「無窮無盡」。

不過,人類要想有效利用這種能量,必須能合理控制核聚變反應的速度和規模。此外,觸發其反應必須消耗巨大的能量(加熱至1億攝氏度),因此如何讓這種能源生產方式真正地產生效益,也是科學家們最亟需解決的問題之一。

1.1 萬噸
核聚變反應所需的氚和氘在自然界中廣泛存在,而1公斤核聚變原料產生的電能等同於1.1萬噸煤產生的電能。

聲音

我們感到非常滿意,一切都按照計劃進行。下一個任務將是延長等離子體放電的時間,並研究利用微波製造並加熱氦等離子體的最佳方法。

參與 W7-X 運行操作的 Hans-Stephan Bosch

Tokamak 裝置的使用者正在期待會發生什麼,W7-X 令全世界感到振奮。

美國威斯康辛大學工程師 David Anderson

大家知道我有很多的理想,我的「讓每個人都有一台電腦」這個夢想實現了,我另外的夢想就是能源的供給、核能的發展,希望它也能實現。

比爾·蓋茲於今年11月在中國工程院演講

等離子體

Plasma,是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質形態,廣泛存在於宇宙中,也是宇宙中豐度最高的物質形態,常被視為是物質的第四態(另一種第四態是液晶),被稱為等離子態,或者「超氣態」,也稱「電漿體」。火焰亦是一種等離子體。等離子體具有很高的電導率,與電磁場存在極強的耦合作用。等離子體是由英國物理學家克魯克斯在1879年發現的,1928年美國科學家歐文·朗繆耳和湯克斯(Tonks)首次將 Plasma 一詞引入物理學,用來描述氣體放電管裏的物質形態,Plasma 是源自希臘文,意為可形塑的物體,此字有隨着容器形狀改變自身形狀之意,如燈管中的等離子體會隨着燈管的形狀改變自身的形狀。嚴格來説,等離子體是具有高位能動能的氣體團,等離子體的總帶電量仍是中性,藉由電場或磁場的高動能將外層的電子擊出,結果電子已不再被束縛於原子核,而成為高位能高動能的自由電子。(資料來自維基百科)

來源:新浪科技新華網赫芬頓郵報

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