Z機的電脈沖產生了強大磁場，壓縮核燃料管
編譯 | 秦雪
● ● ●
美國新墨西哥州的桑迪亞國家實驗室的等離子體物理學家，每次給核聚變反應堆點火時，都會有一大塊金屬裝置在煙霧中化為烏有。Z機里成排的電容器里充滿著相當于1000個閃電的電能，只要一按開關，2000萬安培的電流就會涌向一個只有橡皮擦大小的裝滿燃料的圓筒，這股電流產生難以想象的巨大磁場，快速而狂暴的擠壓力將圓筒內的氫原子聚變成氦，釋放出高能量的中子和氦原子核（一種粒子），爆炸將放置在微小圓筒的復雜裝置（一塊重達10公斤的固體金屬）完全汽化。
項目經理邁克·庫尼奧（Mike Cuneo）說道：“這相當于釋放出了3支炸藥的能量，點火之后，裝置會留下一個1英尺寬的火山口。”
物理學家現在準備通過添加一點用于熱核武器上的珍貴燃料來制造更大的爆炸，這一做法既有風險也有回報。最近幾年來發表的計算、模擬和實驗結果表明，與激光和托卡馬克聚變裝置相比，Z裝置更有希望率先實現自持聚變反應，并且其成本也相對較低。到目前為止，Z機釋放的主要是氘（原子核中帶有1個中子的氫），只能釋放出有限數量的聚變能。然而2015年8月，研究人員嘗試添加了少量的氚（帶有2個中子的氫）。今后5年里，測試劑量將逐漸增加到50%的氘和50%的氚（DT）。
50%對50%的DT燃料釋放的中子是單獨以氘做燃料核聚變的60至90倍，DT燃料核聚變產生的每個中子和α粒子攜帶的能量是單以氘為燃料的4倍。因此，隨著燃料中氚含量向著50%目標逐漸增加，產生的能量將大幅飆升。
其他核聚變發電技術的嘗試遵循了同樣的途徑。1997年，英國阿賓頓的一個托卡馬克裝置聯合歐洲環（JET），以50%對50%的DT燃料產生了16兆瓦的電力，雖然持續時間只有不到一秒鐘，但這次點火創下了核聚變產生能量的最高紀錄，這個紀錄一直保持至今。但JET反應器壁上的石墨限制了能量產出。“對于氚來說，碳像海綿一樣，因此大約有70%的氚會噴射粘在反應堆內壁上。”英國牛津國際熱核實驗反應堆（ITER）物理部門負責人薩維爾·利托頓（Xavier Litaudon）回憶道。利托頓現在正在游說增加JET的資金，計劃于2019年開始新一輪的DT實驗。建在法國的卡達拉舍附近的ITER是一個國際托卡馬克裝置，將使用DT釋放出遠超投入燃料的核聚變能量。
托卡馬克與Z裝置原理不同：前者利用環形磁場來約束高溫等離子體，屬于磁約束；后者利用燃料的慣性和強電流形成的磁籠，在微秒時間范圍內發生劇烈反應，屬于磁-慣性約束。這種反應原理與美國加州的勞倫斯利物莫國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）類似，所不同的是NIF用萬億瓦功率的激光來誘發聚變反應。
桑迪亞實驗室和NIF的科學家不用再擔心因氚流失在石墨壁上的問題，因為與托卡馬克裝置不同的是，Z機沒有用于束縛的封閉墻體。與NIF不同的是，Z機的磁場能延緩α粒子的產生，并沿磁場線將它們束縛住，將更多的能量用于維持聚變反應。
桑迪亞實驗室是目前還在使用DT的3個聚變反應中心之一（見表1）。
為核聚變點上一把火
一個問題是成本：
1克氚需要花費數萬美元，因為自然界沒有這種東西，它是核反應堆在核裂變過程中產生的副產品。
另一個問題是安全：
“氚具有輕度放射性，半衰期為12年，須謹慎處理。”美國新澤西州普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究員里奇·哈維盧克（Rich Hawryluk）說道。更重要的是，DT聚變反應過程中與鋼鐵部件產生碰撞也會讓這些部件稍微沾染上放射性。所以當PPPL 在使用了DT并于1999年關閉反應堆后進行了謹慎處理，在這個房間大小的容器里填滿混凝土后，然后切片埋在了華盛頓州的漢福德核保留地。
只要接觸到水，甚至包括空氣中的濕氣，氚就會形成氚水，氚水比純氣態T2的生物危險性至少強1萬倍，哈維盧克說道。這也是Z機特別引起重視的一個問題，為此Z機的電氣部件都做了水和油的隔離處理。“我們不希望有氚進入。”庫尼奧說道。
而在NIF，氚可能帶來的危險較小，它被包含在一個微小的球體中，操作人員不需要經常進入機器內部。相比之下，桑迪亞實驗室的容器兩端是開口的，在劇烈反應下氚會與到處飛濺的氣態金屬相混合。“每次點火后，都要有人進入里面更換加速器。”庫尼奧說道。
盡管如此，桑迪亞實驗室仍然在繼續推動使用氚，部分原因是它能夠生成更多的中子，后者有助于揭示瞬間存在的高溫高密度等離子體的行為。具體情況現代物理學至今也不十分清楚。庫尼奧說，在明年計劃的3次點火中，他們將移動一個氚控制系統，以達到測試空氣吹掃安全系統和更清晰研究中子。
“最近的研究成果令我們備感興奮，雖然只添加了0.1%的氚。”他補充道,“過去我們很難相信可以用氚進行聚變反應。”
制版編輯：姚蘭婷 |
本文原載公眾號“世界科學”，《知識分子》經授權轉載，略有修訂。
