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人類(lèi)研究可控核聚變裝置，有朝一日將成為位于軌道上的人造太陽(yáng)

    騰訊科技訊 （Everett/編譯）據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，位于美國(guó)中西部印第安納州西拉法葉城的普渡大學(xué)的核工程師開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于核聚變反應(yīng)堆的新設(shè)備。該設(shè)備已經(jīng)被安裝在普林斯頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的核聚變反應(yīng)堆中，主要用于精確地觀(guān)察當(dāng)極高溫等離子體在反應(yīng)堆內(nèi)表面接觸并相互作用的情況。該項(xiàng)工作旨在了解等離子壁的相互作用機(jī)制，以幫助核物理學(xué)家開(kāi)發(fā)能夠承受核聚變反應(yīng)堆內(nèi)極端的物理?xiàng)l件，而這里所指的聚變堆就是被稱(chēng)為托卡馬克核聚變裝置。該項(xiàng)目是由美國(guó)能源部通過(guò)，美國(guó)國(guó)家能源部核聚變能源科學(xué)辦公室具體負(fù)責(zé)。

    托卡馬克核聚變裝置是一個(gè)基于使用大規(guī)模核聚變反應(yīng)以產(chǎn)生“無(wú)限能源”的反應(yīng)堆，也是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃。核聚變是通過(guò)兩個(gè)輕核通過(guò)核反應(yīng)形成一個(gè)較重的核和一個(gè)輕核的過(guò)程，該過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量虧損將釋放出巨大的能量。目前核武庫(kù)中的氫彈就是一種不可控的核聚變裝置，就如太陽(yáng)表面永不停息的能量釋放一樣，而如果該能量能被人類(lèi)所掌握，并在受控情況下進(jìn)行核反應(yīng)，明顯可以產(chǎn)生近乎無(wú)限的清潔能源。核聚變反應(yīng)是通過(guò)如氘和氚的核反應(yīng)，可取自海水，而核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的放射性污染比核聚變大得多。

    根據(jù)核物理學(xué)家計(jì)算，核聚變反應(yīng)堆所產(chǎn)生的能量是傳統(tǒng)我們所用的核裂變反應(yīng)堆提供能源的10倍以上，不僅聚變堆具有取之不盡的原料，所帶來(lái)的污染也很小。據(jù)該校核工程的副教授吉恩保羅（Jean Paul Allain）介紹：目前在核聚變反應(yīng)堆內(nèi)，我們是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)約束高溫等離子體的運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)槿绱烁邷氐牡入x子體幾乎沒(méi)有材料能承受得了，所以要用磁場(chǎng)約束它的行為，這也是核聚變反應(yīng)堆中的最大挑戰(zhàn)之一，我們也必須了解等離子體在聚變堆內(nèi)的對(duì)內(nèi)壁的產(chǎn)生的作用。這也是一個(gè)很大的未知數(shù)，畢竟我們看不到等離子體與內(nèi)壁之間具體發(fā)生了什么情況。

    目前，普渡大學(xué)的研究人員正在普林斯頓大學(xué)的等離子體物理實(shí)驗(yàn)室，操作著全美最大的球形托卡馬克反應(yīng)堆，這個(gè)反應(yīng)堆也被稱(chēng)為美國(guó)國(guó)家球形環(huán)實(shí)驗(yàn)。在具體的實(shí)驗(yàn)操作中，核物理的研究人員將會(huì)使用材料分析粒子探針連接到托卡馬克裝置的下部，這些定制的探針必須做得足夠的小，以適應(yīng)反應(yīng)堆的情況。吉恩保羅核工程副教授認(rèn)為：這同時(shí)也是一個(gè)工程學(xué)上的壯舉，如此小的探針必須匹配幾英尺高的儀器套件，這類(lèi)微型的材料將置入反應(yīng)堆內(nèi)部，在高溫等離子體與反應(yīng)堆內(nèi)壁之間存在，并直接接觸到高溫等離子體的行為以及所帶來(lái)的反應(yīng)。

    而開(kāi)發(fā)這種適應(yīng)與內(nèi)壁的材料之所以具有非常重要的意義，是因?yàn)樵跇O端物理?xiàng)l件的核聚變反應(yīng)堆內(nèi)部，還必須用磁場(chǎng)對(duì)高溫等離子進(jìn)行行為上的約束，而材料直接接觸到如此高的溫度，大約在數(shù)百萬(wàn)攝氏度，自然還產(chǎn)生各種預(yù)想不到的變化，這同時(shí)也是核聚變反應(yīng)堆內(nèi)壁涂層的主要挑戰(zhàn)。而在以前，核物理學(xué)家主要通過(guò)薄膜材料誘導(dǎo)等高溫離子體的行為。

    吉恩保羅副教授認(rèn)為：我們目前還不清楚是什么樣的機(jī)制在其中工作，之前主要是通過(guò)Edisonian方法所總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)定律，也就是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)或者總結(jié)出的適合于核聚變反應(yīng)堆的材料。而如果我們需要達(dá)到完美的核聚變反應(yīng)，并掌握這種“無(wú)限能源”的技術(shù)，就需要清楚其中的所有機(jī)理。因而，該探針的工作目的就是要提供涂層材料在高溫等離子體條件下如何變化以及等離子體本身相互作用產(chǎn)生變化的信息。這些得到的數(shù)據(jù)將有助于研究人員開(kāi)發(fā)出新的材料應(yīng)用于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部。

    然而，目前核聚變物理上還沒(méi)有能維持這些極高溫的等離子體和熱通量所需的材料，一些材料一旦接觸到高溫等離子體，就會(huì)唄馬上分解融化，更不用說(shuō)來(lái)坐核聚變反應(yīng)堆內(nèi)部的材料了。因而，研制這些材料，首先要弄清楚如何操作和控制反應(yīng)堆的內(nèi)壁，以及高溫等離子體與內(nèi)壁接觸時(shí)作用的變化。

    目前在分析高溫等離子體對(duì)內(nèi)壁材料的影響是將運(yùn)行大約一年之后，從反應(yīng)堆內(nèi)將用于測(cè)試的樣本取出進(jìn)行分析。因此，吉恩保羅核工程副教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組也與普渡大學(xué)的納米技術(shù)研究中心的研究人員進(jìn)行合作，以分析在普林斯頓大學(xué)托卡馬克核聚變裝置中使用的內(nèi)壁測(cè)試材料。這也是新型探針?biāo)�具有的使命，允許核物理學(xué)家研究在高溫等離子體條件下，內(nèi)壁上的材料與等離子體間的相互作用的情況，最后我們將新的材料分析數(shù)據(jù)集成，用于創(chuàng)建新的計(jì)算模型，指導(dǎo)新材料的設(shè)計(jì)，并應(yīng)用到這個(gè)托卡馬克裝置中。

    研究人員布賴(lài)恩海姆與肖恩在今年的夏季于普林斯頓大學(xué)，花了六個(gè)星期設(shè)置整套儀器。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在芝加哥舉行的第24屆核聚變工程研討會(huì)和由普渡大學(xué)核工程專(zhuān)業(yè)主持的第38屆國(guó)際等離子體科學(xué)會(huì)議上進(jìn)行了論述，具體文檔信息將在明年的《等離子體科學(xué)》期刊上發(fā)表。據(jù)吉恩保羅副教授介紹：該設(shè)備是可以完全遠(yuǎn)程控制，通過(guò)相關(guān)的遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)，原則上可以認(rèn)為在世界的任何地方都可以控制，因而，國(guó)際上的核工程研究人員有機(jī)會(huì)也可以申請(qǐng)使用。

    該項(xiàng)目的首席研究員布賴(lài)恩海姆（ Bryan Heim），他與吉恩保羅副教授在本科階段就開(kāi)始關(guān)于核聚變反應(yīng)堆的相關(guān)研究工作。該項(xiàng)目中還涉及到其他核工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生：博士生張揚(yáng)（Zhangcan Yang，音譯）和泰勒（Chase Taylor），以及參與研究人員：肖恩（Sean Gonderman）、米格爾岡薩雷斯（Miguel Gonzalez）、薩米（Sami Ortoleva）和埃里克科林斯（Eric Collins）。