突破燃料密度极限,核聚变基本定律修订,有望增加未来聚变装置输出能量

来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)等的国际科研团队,修订了核聚变领域的一条基本定律。新定律指出,科学家们实际上可以在核聚变反应堆中安全地添加更多氢燃料,从而获得比之前想象的更多的能量。相关研究发表于最新一期《物理评论快报》杂志。

核聚变是未来最有希望的能源之一,涉及两个原子核合并成一个释放出巨大的能量,太阳的热量正源自氢原子核聚变成更重的氦原子。国际热核聚变实验反应堆(ITER)旨在复制太阳的聚变过程,创造出高温等离子体,为聚变提供合适的环境,最终产生能量。

等离子体是类似于气体的物质的电离态,由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成,密度仅为空气的百万分之一。将聚变燃料氢原子置于极高温度下,迫使其电子与原子核分离而产生等离子体,这个过程发生在名为“托卡马克”的环形结构内。

最新研究负责人、EPFL瑞士等离子体中心的保罗·里奇说:“在托卡马克内制造等离子体的限制之一是可以注入的氢燃料量。1988年,核聚变科学家马丁·格林沃尔德提出的定律将燃料密度与托卡马克的小半径和在托卡马克内部等离子体中流动的电流相关联,自此‘格林沃尔德极限’一直是聚变研究的基本原则,ITER的建造也基于此。”

里奇同时指出,尽管格林沃尔德的理论在某些研究中非常有效,但在某些情况下,如ITER的继任者核聚变示范电厂(DEMO),会极大地限制其运行,因为它表明不能将燃料密度增加到某个水平以上。

鉴于此,里奇团队与其他托卡马克团队合作,设计了一个实验,可使用高度复杂的技术精确控制注入托卡马克的燃料量,他们在现有世界上最大的几个托卡马克装置,如位于英国的欧共体联合聚变中心开展了试验,同时分析了限制托卡马克内氢燃料密度的物理过程,以推导出一个可关联燃料密度和托卡马克尺寸的第一性原理,并使用世界上一些最大的计算机进行了模拟。

最终,他们推导出与实验结果非常吻合的托卡马克燃料极限的新方程。新方程假定,就ITER内添加的燃料而言,格林沃尔德极限可提高近两倍,这意味着ITER等装置可以使用几乎两倍的燃料来产生等离子体,从而产生更多能量。DEMO将以比现在的托卡马克和ITER高得多的功率运行,因此也可以增加更多燃料。

 

 

来源:科技日报    

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