中國核融合反應器(圖:中國科學院)

中國製造的核融合反應器「人造太陽」,將於 2020 年啟用。研究人員表示,此設備將能達到攝氏 2 億度,此溫度大約是太陽核心溫度的 12 倍。如此高的溫度能產生核融合反應,並釋放出能量。

核融合反應器

此實驗裝置名為 HL-2M 托卡馬克(Tokamak),這是目前規模最大的托卡馬克裝置。托卡馬克裝置是一種核融合反應器,其概念從 1950 年代開始成形,並由蘇聯科學家命名,為俄語「環形真空磁線圈」(toroidal chamber with magnetic coils)的縮寫。正如其名所敘,托卡馬克裝置是一個環面(torus),在其中極高溫的電漿被約束和加壓,以進行核融合反應。

在過去的 40 多年,全球約有數百個實驗室配置了小型的托卡馬克裝置。托卡馬克裝置內部的電漿被磁場限制在內,而這些磁場容易產生缺陷,進而轉變成破壞性缺陷。要控制電漿相當困難。科學家對托卡馬克裝置的研究已花了很長的時間,有些科學家認為這種裝置幾乎不可能大規模實行,以至於另一種設備「仿星器」(stellarator)宣稱要取代托卡馬克裝置。

理論上,仿星器比托卡馬克裝置更穩定且更不易分解。在 2015 年時,由文德爾施泰因 7-X 仿星器(Wendelstein 7-X stellarator)達成的突破,讓科學家對這種新型核融合反應器保持期望。不過從一開始,托卡馬克與仿星器這兩種裝置,是由不同的團隊幾乎在同時間進行開發的。而文德爾施泰因 7-X 仿星器的突破雖然代表了一個里程碑,但卻仍只是非常早期的實驗階段。

強大野心

中國 HL-2M 托卡馬克裝置的正式名稱為「先進實驗超導托卡馬克實驗裝置」(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)。科學家於 2006 首次運行 EAST,但要讓 EAST 順利運作並非容易之事。到了 2018 年,EAST 首次達到了攝氏 1 億度,是 2020 年將達到的最高運轉溫度的一半。

某種意義上來說,EAST 是大型電漿核融合反應器的概念證明。在安全的實驗室環境下,科學家可以觀察托卡馬克裝置如何運作。由於其設計方式,托卡馬克裝置傾向會將最熱且最有熱量的粒子向核心外拋出。這些粒子會立即失去穩定性,並脫離電漿反應區,而且大部分的粒子必須在外部被加熱到攝氏 1 億度。

EAST 本身應能維持這種溫度,而其研究人員在過去 13 年來已能在短時間內達到電漿狀態。他們現在的目標是要產生更穩定、更持久的電漿反應,以證明該裝置能進行核融合反應。未來,該團隊希望讓托卡馬克裝置走出實驗室,並用於商業能源的生產。

參考資料:

  1. Delbert, K., (2019, December 20). China Is Building an Artificial Sun. Popular Mechanics
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