德核能科学家创造出一头“负载怪兽”:模拟太阳内部持续不断的核聚变反应

太阳是地球万物生长的动力源泉,无时无刻不在向外释放着巨大的能量, 其能量仿佛取之不竭。人类也一直梦想能在地球上建立一个像太阳一样的超级能源。但即便是在科技高度发展的今天,这一目标依旧难以实现。

太阳的能量来自于核聚变:氢离子在高温高压下发生反应,反应结果是产生一个氦核,放出一个中子,过程中伴随有大量能量的产生。在地球上若想实现核聚变,就必须模拟出与太阳类似的高温高压环境。为实现这一目标,科学家们建造了“磁瓶”为核聚变创造条件。

如今,德国马克斯·普朗克研究所等离子物理所(MPIPP)的科学家们正准备重启经过改进的仿星器——仿星器(Stellarator)因模拟恒星(比如太阳)内部持续不断的核聚变反应而得名,是以磁场约束核聚变等离子体,稳定运行提供动力的实验装置。

对于这次的实验,这些科学家表现得异常兴奋:为了这一天,他们等了五十年。 也正是由于仿星器的复杂程度,使得其成为了一项具备里程碑意义的、人类科学与工程学上的双重挑战。

图丨工人在安装W7-X仿星器磁铁时的情形

然而,对于大多数人来说,提起核聚变的“磁瓶”,首先想到的是托卡马克(Tokamak),即环流器——这是一种长得像甜甜圈一样的装置,可以将等离子体束缚在一个环形管道内。

但事实上,托卡马克只是实现“磁瓶”的一种方式,另外一种更为复杂的方式是螺旋磁铁,以及介于托卡马克和螺旋磁铁之间的仿星器(stellarator)——这几类装置的目的都是为了束缚等离子体,而且这种束缚要足够强,可以将质子推的足够近。

这三类核聚变实验装置虽然都采用了一种“甜甜圈”构型,但却又有一些本质上的不同。虽然相比于托卡马克来说,仿星器有更好的束缚能力,但由于仿星器的磁场结构太过复杂,所以目前的实验中基本还是在使用托卡马克。

图丨托卡马克设计图

托卡马克的局限

实际上,托卡马克由一个“甜甜圈”型的真空管道构成,通过一系列缠绕在管道上的通电线圈来施加磁场,如下图所示。通电导线产生的磁场和其他一些磁铁产生的磁场一起,构成了一个磁力线分布沿真空管道轴向的磁场。

当等离子体注入时,其带电粒子在真空管道内螺旋形前进。咋一看,托卡马克可以通过磁场将等离子体束缚在管道中。

然而,事实却并非如此。对此,MPIPP仿星器项目的负责人Thomas Klinger教授说:“真空中的磁场并不具有束缚的属性,因为它仅是一个环形场。纯的环形场不能束缚等离子体——这早在1951年就被费米发现了。”

由于环形截面上磁场的分布不均匀,带电粒子会在磁力线之间漂移,能量较高的粒子会漂移到外部。所以等离子束流会向外膨胀然后打到管道内壁上。为在托卡马克中获得高温的等离子体,必须抑制这种漂移。

为实现此目标,需要在等离子束流中加载强大的电流。“你需要利用大电流来扭曲磁力线”,电流会产生另外一个磁场,这个磁场将扭曲原有磁场以使得磁力线呈螺旋状。

图丨Thomas Klinger教授

螺旋状的磁力线会组成一系列相互嵌套的平面(可以想象俄罗斯套娃),等离子体中的粒子被束缚在这些表面上。这样,尽管粒子仍会在不同的磁力线之间跳跃,但它们的漂移没有了方向性。所以,平均来看,带电粒子逃出束缚的可能性大大降低。

但即便是这样,由于经过等离子体的电流、等离子体密度和温度并不是在任一地方都均匀的,整个系统的稳定性还是很难保证。

精妙的磁:仿星器

但在仿星器中,情况就和托卡马克不一样了,因为仿星器外部施加的磁场足够束缚等离子体。所以,虽然真空管道依然是一个环形,但环绕管道的磁铁不再是二维轴对称的了。取而代之的是,可以产生扭曲磁场的异形磁铁。

图丨仿星器真空管道外部扭曲的特殊磁铁

巧妙设计和特殊的磁铁形状可以抵消等离子体的漂移,最起码可以防止粒子从等离子体中飘走。虽然这在理论上容易解释,但现实中研究者们需要进行大量的工作。为确保磁场具有一个精确的分布,研究者们需要在不同尺度下进行大量的计算,而且这些计算都是三维的

所以,还需要开发计算机程序来模拟等离子体在整个仿星器中的运动轨迹。而且,还需要等待电脑运算能力足够强大来运行这些程序。 MPIPP仿星器项目负责人Klinger教授表示:“80年代的超级计算机就可以解出其中涉及的某些方程。但现在的计算能力大大增强,所以根据最新的结果,我们认为仿星器可以进一步实现优化。”

图丨计算机程序模拟的仿星器中扭曲的磁场的分布

实际上,Kinger教授口中轻描淡写的“优化”,真正操作起来是一个极其复杂的过程。科学家们需要决定哪个系统参数需要优化,以及优化的范围。更难的是:没有一个单一的计算机模型可以包含完整的参数,因为模型所需要的物理参数实在是太多了

为了获得等离子体在仿星器中的精确图像,需要分别计算磁场模型和计算等离子体类流特性的磁流体力学模型。然后,为了验证磁场对粒子漂移的束缚作用和粒子碰撞,还需要计算单一粒子在磁力线间运动的模型,以及可以处理漫射的模型。

所有的这些模型建立后,都需要进行计算机模拟和实验验证,全部通过后才能进入试验设备的优化阶段。

创造一头“负载怪兽”

好了,上面这些描述仿佛让仿星器成了一项“不可能完成的任务”。但经过近 50 年的努力,科学家们还是成功了!研究者们最终创造一头“负载怪兽”:文德尔施泰因7-X(Wendelstein 7-X,W7-X)仿星器——W7-X看起来非常漂亮,但组装起来可绝非易事。

图丨建造中的 W7-X 仿星器

不同于托卡马克采用的轴对称磁铁,非轴对称磁铁在加工中要经受一种平展力,试图将它们压平。所以这种超导线圈的缠绕结构还需具有足够的机械强度来对抗这种力。不仅如此,要使超导线圈正常工作,还需接受在氦制冷剂、隔离高压电,以及突然丧失超导性方面的挑战。

光是建立这些造型奇特的磁铁就花了 6 年时间。“我们对每一个线圈都进行了检测。这是从一开始就预料到的,我们在巴黎对所有线圈逐一进行了细致的检查。”Klinger说。“其中有个叫做‘阿波罗13’的线圈,在法国反复送检了三次。”

图丨W7-X磁场结构示意图

然而,这些问题相对于机械工程方面的问题来说,还都是小事。不同于托卡马克,仿星器中使用的磁铁不存在真正的对称,所以整个结构需要事先建模。

工程师们采用有限元分析(结构设计的常用方法)对磁铁中的受力进行分析,然后设计出相应的结构可以与之相匹配。但前期计算却错了,在磁铁生产的过程中才发现这一问题。

对此,Klinger解释道:“我们必须更换整个结构支撑的概念,而这也是最基本的概念。而且最重要的改变是我们需要将磁铁系统做的更有柔性。

最终,整个结构都被重新设计,以使得磁场可以有 5 厘米的位移。这些磁铁的位移是一致的,因此它们的相对位置保持不变,产生的磁场也与之前一样。

图丨W7-X装置图

以上的这些听起来也许不算是一个成就。但考虑到承载磁铁的管道和真空内腔具有约16米的直径,而磁铁的相对偏差要控制在100个微米以内;而且,这种偏差还要考虑到当接通电流时,磁场可能会有4厘米左右的位移;就会知道实现起来的难度。

终于,在 2016 下半年,科学家对磁铁线圈进行通电,并对产生的磁场进行了测量——所测得磁场的形状与计算机模拟的结果偏差在十万分之一以内!这时,所有人都松了一口气……

一般来说,接下来的步骤是在仿星器的管道壁铺设吸热材料,用以吸收来自等离子体的能量。但面对如此高的吻合度,研究者们决定在吸热材料还没安装到位前就开始做一些初期、低温的等离子体实验测试。他们运行了 2 到 4 兆焦、离子温度高达 2000 电子伏的等离子体,发现结果与理论预测一致。

图丨工作人员正在组装 W7-X的管道

目前,仿星器的管道已被再度打开了,技术人员正在安装8000片碳板。这将可以使研究者测试80兆焦的能量,同时也将验证两个非常关键的问题。首先,研究者希望验证等离子体囚禁的模型:他们是否可以得到所预测到的等离子体密度和离子温度?

其次,研究者想证实仿星器是真的足够稳定,可以满足连续工作的要求。虽然,由于基于石墨烯的碳板还没加装水冷装置,因此W7-X只可以在全功率下运行10秒。因此研究者只能在较低功率运行,但这也足够证明一部分的稳定度。

图丨第一次高温等离子体测试,此时管道内壁还未铺设隔热材料

根据之前的分析,所有的磁场束缚系统都会有泄露。一旦泄露,等离子体将会撞上管壁;由于等离子体有能量,所以将会加热、甚至烧穿墙体材料;而且,肯定会将燃烧后的污染物从墙壁上吹到等离子体上。

对于这个问题的解决方法是:构造特殊的磁场结构,形成特定的“出口”对等离子体进行收集。比如使用不易烧蚀、热传导性好的材料,使用水冷系统或是将烧蚀后的污染物抽走等,研究者们仅需要精心设计出口处的各个小的细节即可。这些“出口”就是分流器。多年前,托卡马克实验中就安装了分流器,但仿星器中一直没能使用。

如果在分流器的基础上再配备水冷系统,那么W7-X将可以以10兆瓦的功率运行一个半小时,这个时间足够在最高温度和密度下验证操作稳定性了,同时也会获得与核聚变相关的实验数据。

图丨亮点形成的“岛链”为W7-X分流器的候选位置

目前,研究者们确实可以在计算机模型中模拟出理想的仿星器,但研究者们希望能通过W7-X能将其变为现实。但目前还缺乏一个完美的模型。其中一个主要的难点是对湍流现象的准确描述

图丨湍流

湍流将导致等离子体密度在时间和空间中变化,使得离子从等离子体中泄露。但是,即使完整的3D模型也不能处理湍流问题,而现有的改进模型是沿单一通量线追踪粒子在整个仿星器中的运动,这种模型在每个数据点的运算需要消耗大约5百万个CPU计算小时。

对于如此庞大的计算量,研究者已经开始考虑通过一些人工智能的算法。从复杂精准的模型中提取出经验模型,仅需要输入简单的参数就能快速的预测湍流,从而以实现有效的控制。

核聚变的未来

W7-X仿星器的一部分资助来自于一个欧洲的财团,名叫EUROfusion。但如果浏览 EUROfusion 的网站,基本不会找到有关仿星器的消息。相反的,所有的光环都加在ITER(国际热核聚变实验反应堆)上。这其中的原因在于ITER和W7-X在设计理念上的不同。

根据 EUROfusion 的经理 Tony Donné 教授表示,ITER的理念是进行完整的、大量的有趣实验以验证物理定律,其中的一些物理定律可用于商业核反应器的建造。这其中不仅仅包括如何囚禁、控制等离子体,还包括可以吸热的分流器,以及可以产生氚燃料以进行氘-氚核聚变的铍墙。

在另一方面,由于W7-X不能产生氚,所以只能实验等离子体参数特性,不能用于核聚变。

图丨建造中的ITER,EUROfusion 最宠爱的项目

继 ITER 之后,EUROfusion 的下一个计划是 DEMO,一个基于核聚变的核电站的验证项目。根据 Donné 表示,这个项目也将是基于托卡马克结构。

然而,如果 W7-X 性能通过验证而且表现优异,改为基于仿星器的设计也不是不可能。但由于 DEMO 的先期设计已经在进行中,时间紧迫,需要 W7-X 赶在计划之前出结果。因此,基于 W7-X 一类的仿星器可能被发展为第二代核聚变核电站。

但抛开以上一切,不管未来核聚变是在怎样的结构内产生,核聚变本身是否可以作为一种可使用的能源还是一个未知数。不同于大多数的清洁能源方案,可控核聚变在初期的投入是巨大的:大型且昂贵的磁铁,而且这还仅仅是一小部分。而且,如果将减少碳排放的希望寄托在核聚变上,恐怕短期内会让很多人失望了。

因此,仿星器是一项登峰造极物理和科学的重要成就,值得世界为之期待。它代表了未来的希望,但人们离安全使用核聚变来生产能源还有很长的路要走。

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