捨棄龐大昂貴磁場線圈,更便宜與高效的電漿穩定方法捲土重來

發佈日期: 2019 年 04 月 19 日 12:00 | 作者: | 分類: 產業資訊

若要控制核融合反應爐中的電漿,通常科學家都會打造既昂貴又龐大的磁場線圈,研發不易成本又高,但現在美國華盛頓大學科學家已透過電漿的自束效應 Z-pinch,成功運用電磁力壓縮流動的電漿,並已測量到穩定的核融合反應。

在介紹 Z-pinch 為何物之前,要先說一下核融合反應是如何形成的。核融合基本上是模仿太陽能內部產生能量的方法,將氫的兩種同位素氘、氚原子結合,形成一個較重的原子核與一個較輕的原子核。

假如要在反應爐內進行融合反應,得將物質的溫度提高、使原子核和電子分開,進而形成電漿,但原子核帶正電,彼此會相互排斥,因此科學家還得利用強大的磁場、溫度與密度來控制與維持電漿,只要電漿能在足夠長時間下維持高溫,就可以觸發大量核融合反應,人們就能進一步運用核融合技術來產生龐大無碳又安全的電力。

不過實現這項技術的前提是:科學家首先要找到控制電漿的方法,像是托卡馬克、仿星器等都是運用強大的來控制磁場線圈電漿,對此,華盛頓大學航空與航太 FuZE 實驗室科學家 Uri Shumlak 表示,核融合設備通常都很大,磁場線圈也容易引起中子輻射損傷(neutron damage),代表科學家得打造大型又穩定的磁場線圈,使成本水漲船高。

不過控制電漿的方法只有磁場線圈嗎?事實上還有一種更有效、成本也更低的方法:自束電漿柱 Z-pinch,其善加利用電漿內的電磁力來穩定電漿。該方法是自束效應(pinch effect)的一種,當電漿柱通過電流時,電流與其自感磁場會對電漿柱產生向內的徑向電磁實體力,使電漿柱側向壓縮。

這項技術是主要是依靠本身的磁場來穩定電漿,不需要昂貴的磁場線圈,因此成本較低,但是電漿不易控制,雖然電漿柱在外圍可徑向穩定電漿,但電漿穩定性本身就不高、易形成凸起(就像動脈瘤一樣),進而削弱電磁力的約束力。且自束效應所需的電流較大,Z-pinch 也容易造成電漿柱不穩定,使電漿失控並破壞核融合裝置,使反應爐內壁蒸發或是熔化,失控的高能量電子束也會導致設備局部受損。

上述種種因素使得科學家捨棄自束效應方案,改用現在較常見的磁場線圈,而現在華盛頓大學科學團隊已經找到方法來阻止電漿扭曲,他們在電漿行為中引入磁流體動力學的剪切軸流(sheared axial flows),成功用 50 公分長的 Z-pinch 電漿柱約束電漿。Shumlak 表示,這樣一來就可以防止電漿表面形成凸起。

科學家從前在剪切軸流×電漿柱 Z-pinch 的研究一點也沒有少,但這是科學家首次突破,與靜態電漿相比,華盛頓大學的流動電漿維持長度已提升 5,000 倍,且更可觀察到高能量中子,這可是核融合反應的跡象。Shumlak 指出,雖然還不確定這是否會為核融合帶來新氣,但是該研究仍鼓舞人心,目前科學家也已深入研究 Z-pinch 剪切軸流穩定性,若團隊對該研究的理解無誤,未來或許還能帶來更優異的性能。

目前研究已發表在《Physical Review Letters》。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:華盛頓大學

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