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麻省理工學(xué)院10月14日在官網(wǎng)宣布,，麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)和聚變研究中心的科學(xué)家和工程師又向受控核聚變的實現(xiàn)邁進了一大步，該校離子體科學(xué)和聚變研究中心的Alcator C-Mod托卡馬克聚變堆在最后一次實驗中創(chuàng)造了一項世界紀錄——Alcator C-Mod的等離子體壓強超過了2個大氣壓,。高壓等離子體是實現(xiàn)可控核聚變的關(guān)鍵因素,，這個記錄將該裝置自己于2005年創(chuàng)下的最好成績又提高了15%。 Alcator C-Mod項目的負責(zé)人,、資深科學(xué)家厄爾·馬爾馬（Earl Marmar）將在今天日本東京舉行的國際原子能機構(gòu)聚合能大會（IAEA Fusion Energy Conference）上公布實驗結(jié)果的具體數(shù)據(jù),。 由于具有無污染、原料幾乎取之不盡（可以直接使用海水）,、安全性高并且發(fā)生事故危害較小等優(yōu)點,，核聚變長期以來一直是人類渴望的“理想能源”。 從上世紀50年代開始,，人類就開始了可控核聚變的相關(guān)研究,。 麻省理工學(xué)院的Alcator C-Mod核聚變反應(yīng)堆設(shè)備于1993年投入運行，至今已服役23年,，按計劃在美國東部時間9月30日關(guān)閉,。Alcator C-Mod是利用高強度磁場約束高溫等離子體的托卡馬克反應(yīng)堆*，是全球所有聚變反應(yīng)堆中磁場最強,、等離子體壓強最高的聚變反應(yīng)堆,。 *托克馬克（Tokamak）又稱環(huán)磁機，是一種利用磁約束來實現(xiàn)磁約束聚變的環(huán)性容器,，同時也是用于生產(chǎn)受控?zé)岷撕司圩兡苤械囊粋€最深入研究的候選類型,。托卡馬克這個詞源于俄語單詞токамак，是環(huán)形（toroidal）,、真空室（kamera）,、磁（magnit）,、線圈（kotushka）四個單詞的縮寫。 在最后一次運行中,，Alcator C-Mod等離子體高壓突破其前世界紀錄,，再創(chuàng)新高，華麗謝幕,。等離子體壓強是核聚變反應(yīng)產(chǎn)能的關(guān)鍵因素,，MIT最新的實驗結(jié)果首次達到超過兩個大氣壓，為人類創(chuàng)造更加清潔,、安全的能源帶來嶄新希望,。 50多年前，理論物理學(xué)家已經(jīng)證明,，若要在地球?qū)崿F(xiàn)可控核聚變,，那么等離子體必須滿足三個條件：
這三個條件再落實到具體參數(shù)細節(jié)上，就是等離子體的粒子密度,、約束時間和溫度這三個參數(shù)的乘積必須不低于某個閾值（也叫作“triple product”）,。達到該閾值后，拘束核聚變才能產(chǎn)生正能量輸出,，即釋放的能量大于所消耗的能量,。由于壓強是密度和溫度的乘積，因此,，輸出能量的大小和它的平方成正比,，也就是說，壓強達到原來的2倍,，釋放的能量會達到原來的4倍,。基于這個原因，壓強成了可控核聚變的關(guān)鍵指標之一,。 在Alcator C-Mod托卡馬克聚變實驗裝置23年的服務(wù)生涯中,，它已經(jīng)多次刷新了磁約束聚變等離子體壓強的世界記錄。2005年,，阿爾卡特C型裝置制造了1.77個大氣壓的世界記錄,。 如今，2.05個大氣壓世界記錄又在2005年記錄的基礎(chǔ)上提高了15%,，對應(yīng)的溫度達到3,500萬攝氏度,，是太陽核心溫度的2倍。 Alcator C-Mod裝置是世界上第三臺強磁場托卡馬克，具有世界唯一的先進腔體結(jié)構(gòu),，屬于緊湊型強磁場核聚變托卡馬克裝置,。Alcator C-Mod裝置中的等離子體每秒發(fā)生300萬億次聚變反應(yīng)，其中心的磁場強度達到5.7特斯拉（地球磁場的11.5萬倍）,。等離子體中的電流強度達到140萬安培,，等離子中的核聚變功率高達400萬瓦。等離子體的體積只有1立方米,，持續(xù)時間為2整秒。 相較于其他體積相仿的非托卡馬克磁約束聚變系統(tǒng),，Alcator C-Mod裝置的磁場強度要大出50倍,，而對比于其他托卡馬克裝置，它的等離子體壓強則至少高出70%,。 ▲結(jié)果喜人，The Alcator C-Mod課題組歡騰一片 唯一有可能打破Alcator C-Mod裝置記錄的是在建中的國際熱核聚變實驗堆（ITER）,。 ITER同為托卡馬克裝置,，容積比AlcatorC-Mod裝置大800倍，但是磁場卻不如AlcatorC-Mod裝置強,。根據(jù)美國能源部的最新報告,，ITER在2036年投入使用后，預(yù)期能產(chǎn)生2.6個大氣壓的等離子體,，換句話說,，現(xiàn)在這個記錄，至少還可以保持15年,。 此外,，Alcator C-Mod裝置自運行至今，始終作為能源實驗的核心,，成就了成百上千的科學(xué)家和工程師,，啟發(fā)了將近200篇相關(guān)博士論文、項目合作以及科學(xué)突破,?？梢哉f，Alcator C-Mod是一整代等離子科學(xué)家的訓(xùn)練場,。 ▲為什么MIT的AlcatorC-Mod反應(yīng)堆對未來聚變能研究如此重要,？視頻來源：麻省理工核能科學(xué)和工程（MIT Department ofNuclear Science and Engineering） 然而，盡管Alcator C-Mod裝置在聚變研究中做出了輝煌的貢獻,，它也受困于“巧婦難為無米之炊”——2012年,，其主管部門美國能源部決定，為了給ITER項目騰出資金，在國會的最后一筆為期三年的資助在今年9月30日到期后,，Alcator C-Mod裝置必須關(guān)閉,。 一直以來，政府官員在是否支持核聚變研究上爭論不休,。白宮希望2017年財政部4.38億美元的聚變科學(xué)項目總預(yù)算削減9.2%,。參議院甚至想要進一步削減至2.8億美元，但是要求保持ITER項目投資不變,，將經(jīng)費重分配給其他能源項目,。由此看來，想要在核聚變能源項目上達成預(yù)算一致,，美國立法者還要忙活幾個月,。 ▲Alcator C-Mod實驗室一角 并未謝幕,，或?qū)M血復(fù)活 厄爾·馬爾馬（Earl Marmar）從2002年起開始擔(dān)任Alcator C-Mod項目負責(zé)人,，在他的指揮下，Alcator C-Mod托卡馬克反應(yīng)堆“馬力全開,、奮力沖刺,，并從未退縮”。 馬爾馬說：“最后幾年,，我們確實加了把勁,。結(jié)果，我們獲得了新的結(jié)果,，并且沒有損壞設(shè)備,。即便此刻，我們依舊有許多新的想法等待實施,，C-Mod時代結(jié)束尚早,。” 據(jù)馬爾馬稱,，“政府提供資金支持保證C-Mod處于安全關(guān)閉狀態(tài),。雖然目前并沒有計劃，但或許將來某個時機,，C-Mod會滿血復(fù)活,。目前，我們正超新的方向努力,?！?/p> 丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）是等離子體科學(xué)和聚變研究中心主任，同時也是麻省理工核能科學(xué)和工程系主任,。他也表示：“雖然目前我們正在尋求其他合作,，但沒有任何地方像C-Mod一樣有家的感覺。但是，我們會竭盡所能,，將這里學(xué)習(xí)和積累的經(jīng)驗用在其他托卡馬克設(shè)備上,。” Alcator C-Mod的收官運行,，讓所有人驚艷——再次打破極限,，創(chuàng)下磁場約束高溫等離子體壓強的最新世界紀錄。C-Mod設(shè)備中高溫等離子體壓強高達2.05大氣壓,，比世界上任何其他托卡馬克反應(yīng)堆的表現(xiàn)優(yōu)異將近一倍,！ 懷特說：“關(guān)鍵的不同之處還在于C-Mod的運行技術(shù)：高強度磁場。C-Mod的完美表現(xiàn),，足以證明高強度磁場核聚變科學(xué)已經(jīng)蓄勢待發(fā),。即便是ITER這樣耗資巨大的工程，目標也僅僅是獲得2.8個大氣壓,，并且是20年后的目標！” 當(dāng)麻省理工學(xué)院正為其空前的成功歡呼雀躍時,，普林斯頓大學(xué)的核聚變科學(xué)家卻有些憂傷,。早些時候，他們剛升級的核反應(yīng)堆因為線圈故障而被勒令下線一年之久,。 由此一來,，美國目前只剩下一個主要的核聚變反應(yīng)堆尚在運行，這是核聚變科學(xué)發(fā)展的又一個挑戰(zhàn),。 ▲Alcator C-Mod實驗室一角 但是懷特教授信心滿滿：“我們集聚了不可思議的核聚變科學(xué)家和工程師團隊，C-Mod實驗室培養(yǎng)的開闊思維以及協(xié)作精神將繼續(xù)發(fā)揮作用,，培養(yǎng)的學(xué)生正在繼續(xù)研究并嘗試實用化,。每個人都激動不已，我們希望樂觀精神一直都在,。我們要放眼整個世界,，加速核聚變科學(xué)的發(fā)展。” 核聚變科學(xué)發(fā)源于MIT 麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心（Plasma Science and Fusion Center）副主任馬丁·格林沃德（Martin Greenwald）正在努力申請新的項目,。格林沃德說：“C-Mod的關(guān)閉只是章節(jié)性的結(jié)束,，新的篇章即將開啟。設(shè)備都有生命周期,，它們運行的時候,，我們做研究；關(guān)閉的時候,，我們?nèi)匀灰^續(xù)做研究,。” 格林沃德稱，當(dāng)今聚變科學(xué)領(lǐng)域許多最有影響力的概念都發(fā)源于MIT,。早在1971年,，首部申請專利的Alcator反應(yīng)堆設(shè)備就已經(jīng)聚焦于研究高強度磁場聚變方法。格林沃德說：“當(dāng)時我們的磁場研究組發(fā)明實現(xiàn)超導(dǎo)磁體的方法,，基本上成為今天聚變科學(xué)默認的基礎(chǔ),，應(yīng)用于各大核聚變設(shè)備。而現(xiàn)在,，我們想繼續(xù)推進磁體技術(shù)發(fā)展,。” 如果要進行核聚變反應(yīng),，首先就必須提高物質(zhì)的溫度,，使原子核和電子分開，處于這種狀態(tài)的物質(zhì)稱為“等離子體”（plasma）,。這種溫度需要超過1億℃,，遠遠高于太陽核心的溫度。這種情況下,，磁場是將高溫等離子體與反應(yīng)堆墻壁隔離的唯一可靠方法,。格林沃德說：“目前，我們已經(jīng)在C-Mod上獲得了必要的等離子濃度和溫度,，但是由于Alcator反應(yīng)堆相對較小,，產(chǎn)生能量和消耗能量相當(dāng)?！?/p> 目前,，核聚變科學(xué)家的研究重心都在于尋找一種使聚變反應(yīng)堆獲得能源凈產(chǎn)出的方法。建設(shè)類似ITER的巨型托卡馬克反應(yīng)堆設(shè)備需要極大的付出,，目前ITER項目的國際總支出已超過500億美元,，是原來預(yù)計的10倍。預(yù)計2027年之前還不能進行能源實驗,，這已經(jīng)落后計劃10年之久,。 然而，格林沃德稱或許另有他法,。 格林沃德指的是麻省理工學(xué)院的“ARC核聚變反應(yīng)堆”,，ARC的名字來源于科幻電影《鋼鐵俠》“Affordable（經(jīng)濟），Robust（強勁）,，Compact（簡潔）”,。ARC反應(yīng)堆是更依賴于先進的材料和磁場技術(shù)的小型、模塊化反應(yīng)堆,，甚至能夠縮減至大型反應(yīng)堆尺寸和預(yù)算的十分之一,。 當(dāng)然,，想要開始ARC的研究和實驗，麻省理工學(xué)院需要尋求私人資助,。 高級偏向器試驗（Advanced Diverter Experiment,，ADX）是MIT的另一個項目，其大小和C-Mod相近,，但設(shè)計卻不同,。ADX將幫助研究者掌握更多聚變環(huán)境下高溫等離子體行為、等離子體與材料表面的相互作用以及結(jié)構(gòu)材料的行為等,，以便解決核聚變試驗中遇到的關(guān)鍵問題,。麻省理工學(xué)院現(xiàn)已經(jīng)提請能源部給予ADX資助。 ▲Alcator C-Mod實驗室一角 年輕的創(chuàng)新主力 十年前,，丹尼斯·懷特正是奔著核聚變項目來到麻省理工學(xué)院，或者更具體來說,，懷特看到MIT的學(xué)生能在世界頂尖的聚變反應(yīng)堆設(shè)備上學(xué)以致用,、動手實踐。 懷特現(xiàn)任麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系主任,，并兼任PSFC主任,。他說：“如今，C-Mod一線試驗人員大約1/3是學(xué)生,，年輕人是創(chuàng)新的主力，他們反思舊理論并為聚變科學(xué)領(lǐng)域注入新的創(chuàng)新力量,，他們引領(lǐng)著現(xiàn)代研究方法的發(fā)展,。” 懷特團隊的年輕化正表明了這一點,，17個人中9個年齡都在40歲以下,。懷特說：“新一代年輕的核聚變科學(xué)家的創(chuàng)新動力是無限的。僅僅在幾年前,，我們覺得還不能獲得能源凈產(chǎn)出,。但好像突然間，我們就有了機會發(fā)明更簡潔,、高效的反應(yīng)堆設(shè)備,。”這實際上得益于新一代超導(dǎo)材料以及Alcator C-Mod開拓的新設(shè)計方法的發(fā)展,，更加確定了使用高強磁場來實現(xiàn)聚變能源的優(yōu)勢,。 “這就是麻省理工學(xué)院偉大的原因。這里集聚這充滿創(chuàng)造力的年輕人,，這里賦予他們重新思考和大膽嘗試的活力,，驅(qū)動他們通過奉獻和天賦讓世界變得更加美好,。并且，他們也做到了,?！?/p> 編譯：離子心、李盼 參考：http://news./2016/alcator-c-mod-tokamak-nuclear-fusion-world-record-1014 http://news./2016/high-intensity-fusion-1014 |
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來自： 紅豆居士 > 《科學(xué)前沿》
