核聚变创造人造太阳


  核聚变是能源技术的魔兽,能解决我们的所有能源问题,可提供几乎无限电力来源,但似乎又永远要远离现实几十年。然而,科学家们已经取得真正的进步,就是使用聚变作为能量来源,在这同时,他们已经制造出迷人的机器,包括世界上最强大的激光器和雕塑般的磁场线圈,可以控制1亿摄氏度的等离子体。下面是一些最有趣的项目,从一些最初的尝试到今天的尖端研究都有。

  这些设备称为镜子磁铁(mirror magnets),用于控制聚变所需的超热等离子体,是劳伦斯•利弗莫尔实验室(Lawrence Livermore Laboratory)的研究人员在20世纪50年代首次制造的。20世纪60年代,他们开发出的镜子磁铁,形如棒球的接缝。第二个版本(如图所示)是在1969年制成。这种形状的磁铁创造了一个微弱的磁场,被一个强大的磁场包围,由此来控制等离子体。所产生的磁场大约比典型的冰箱磁铁高1500倍。

  利弗莫尔实验室的研究人员成功引进更大的镜子磁铁机器,以改善等离子体约束。这张照片摄于1981年,显示工人们正在把420吨重的磁铁移动到位,安装到镜子聚变试验设施(Mirror Fusion Test Facility)的一端。它的目的是协助限制等离子体,达到近5亿摄氏度。

  在开发镜子磁铁的同时,利弗莫尔实验室的研究人员还开发了极其强大的激光器,可以聚焦在密封器中的氢上,就在一个球体的中心。利弗莫尔实验室的激光器用于模拟核武器的聚变,并开发新的发电方法。1977年,这一激光器指向这一球体,称为湿婆(Shiva),这是当时世界上最强大的激光器。

  1984年,利弗莫尔实验室升级到诺瓦(Nova)激光器,特征是可以把20个激光束聚焦到目标氢密封容器上。这一设施在最初的《电子争霸》(Tron)电影中曾被特别描绘。

  2008年,加州州长阿诺德•施瓦辛格(Arnold Schwarzenegger)参观了利弗莫尔实验室最新版本的聚变激光系统,就是国家点火设施(National Ignition Facility)。它聚焦192个激光器,瞄准目标,目的是点燃一个短暂但自我维持的聚变反应,本质上就是一颗微小的恒星。要发电,这样的系统就必须每分钟发射多次激光,以产生持续的热量。

  技术人员审查了国家点火设施的内部。这一圆锥体伸到中心,将对准一个密封容器,这个容器有铅笔橡皮擦大小,内含氢同位素。

  核聚变实验的一种常见类型,是使用磁铁和电流来控制等离子体。这些所谓的托卡马克装置(tokamak devices)的一种版本,是在普林斯顿等离子体物理实验室(Princeton Plasma Physics Laboratory)制成的,这里显示的是2009年的情况。这一个使用了液态锂壁,以提高等离子体的稳定性。

  普林斯顿等离子体物理实验室还参与了另一种磁等离子体控制,就是所谓的仿星器。这种方法利用计算机模型,设计精心构型的电磁线圈,不需要电流协助稳定磁场,可能带来更稳定的等离子体约束。这张照片摄于2007年11月,显示一个技术员正在装配线圈。普林斯顿仿星器被取消是由于成本超支。

  法国南部的国际热核聚变能源研究项目(ITER)正在建设世界上最大的托卡马克装置。今年,开始建造一个250米长的设施(如图所示),专门用来缠绕线圈,这种线圈用于一种类型的磁铁,用来控制等离子体。