|
聚变燃料和聚变装置位形是圈内人经常探讨的话题，也是感兴趣热核聚变的圈外人所关注的问题。 说起燃料，一般都认为氘是首选，还有氦3 ，而硼在聚变方面也占重要一席。由于热核聚变并非加速器聚变，所以无论是氘，还是氦3，或者是硼，其聚变能的获取都还有很长的路要走。加速器的反应截面太小，用于加速的能量远远大于核反应产生的能量，而且它的库仑截面（10-11）>> 核反应截面（10-16），还没等循环使用，一发生对撞就“热化”了，因此被加速器加速的粒子不适合重复利用。 聚变装置的位形问题，简单说，从二维位形分析可知θ-pinch（相当于电磁学里的无限长螺线管）是绝对稳定的，但在三维空间里，我们不可能做一个无限长的装置，只能想办法解决端效应： 一个办法是“两头堵”，即把电流线圈向两端移动，加强两端磁场，以求得到磁镜位形； 再一个办法是“两头接”，使之对成一个环形。 由于磁镜位形有损失锥，所以环形更好。而且，环形装置的磁场位形越接近θ-pinch越好，即极向场越小、环向场越强越好。托卡马克具有这方面的优势。环形磁场位形的另一个优点是拓扑稳定，一条磁力线可以铺满整个环面（单连通封闭面的不行，有两个奇点。现在都放弃了“球马克”，只剩“球形托卡马克”） 。 物理稳定性+拓扑稳定性，这就是托卡马克。其它“先进位形”，都不具备上述优点。但仿星器是一个例外。 仿星器是当年美国人提出的磁约束位形。所谓仿星器（stellarator），字根stellar是“星的”意思，对应star（星即恒星）的形容词。我们中文则把除太阳、月亮之外的都叫“星”——恒星、行星、卫星、彗星等，但英文各有各的名字：star, planet, moon (or satellite), comet。现在一般都认为“星”的能源来自聚变，所以对实验室的“人造星”就起了一个“仿星器”的名字（我们叫“人造太阳”）。这个“人造星”其实和托卡马克一样，都是把q-pinch两头对成一个环，然后用极向场实现“旋转变换”来消除环的内外不对称性，而且都保证了极向场比环向场小一个数量级。但是，托卡马克的极向场主要是等离子体电流“自洽”产生的（叫做“自举电流”），而仿星器的极向场主要是外部线圈产生的。 仿星器的线圈是这样的： 线圈扭来扭去的，完全破坏了水平面上（垂直地面轴）的轴对称性，而托卡马克基本上保持了轴对称。 因此，托卡马克的横截面和仿星器的横截面几乎完全不同。 托卡马克基本上是中规中矩，其项目装置是这样的： 仿星器模型项目就大相径庭了，似乎 “别扭”这个词就是给它预备的——别来别去、扭来扭去： 可以看出，仿星器是一种非常复杂的装置，至今仍是先进制造业王冠上的明珠。 因为约束等离子体的螺旋环状磁场几乎完全靠线圈实现，所以线圈结构非常复杂，设计、制造必须分毫不差。在1950-1960年代，这几乎就是Mission Impossible（不可能的任务）。当时造出来的仿星器都实现不了设计指标，最后只能是托卡马克一统江湖。 半个多世纪之后，美国人的伟大理想最后由号称“制造狂魔”的德国人实现。2014年，举世瞩目的世界最大仿星器 Wandelstein X-7建成。尽管目前参数比起托卡马克还差不少，但人们还是抱有很大期望，目前我们国内也有几家高校纷纷跟进，试图尝试。 现在的问题是： 到底是几乎完全由外部磁场约束的仿星器更优越，还是以极向场为主的等离子体电流产生的托卡马克更具优越性？ 更进一步，是等离子体自己产生磁场的“自洽约束”（如同球形闪电、日地磁场）更有利于实现磁约束聚变，还是人为外加线圈产生磁场的“外部约束”更有利于实现磁约束聚变？ 上述困惑是做磁约束聚变研究的圈内人常常提出来探讨的问题，也是感兴趣聚变的圈外人所关注的。 就磁约束来说，到底是“自洽约束”更有利，还是人为 “外部约束”更可取？这里作一个简单分析：自然界中自然形成的典型“自约束”磁场位形，一个是太阳大气（日冕）的“无力场”位形，一个是地球磁场的“偶极场”位形（下图）。 不过，太阳大气是否是无力场，目前还有争议，但是多数科学家认为是，而且在理论上的这种无力场应该是最小（严格说是极小）势能场。所谓“无力”，是指等离子体宏观上不受到力的作用，或者说决定等离子体力学平衡的压力和洛伦兹力都等于零，即grad P = J x B。由此，一个结果是：等离子体压强为一常数（等压过程）；另一个结果是J ∥B，即J = lB：强条件是 l=常数；弱条件下 l 可以是时空函数，但与磁场无关。 根据这个无力场位形的条件（J = lB加最小势能），U Texas（Austin）的J. B. Taylor教授建议了一种磁约束装置：反场箍缩（Reversed Field Pinch, 简称RFP）。中科大前几年建成的聚变研究装置“科大一环”（KTX）就是一个典型的反场箍缩装置（RFP装置）。 RFP的环向场和极向场的磁感应强度相当，与托卡马克或仿星器相比，RFP尽管有同样的拓扑结构，但显然距q-pinch（要求环向场远大于极向场）太远，且物理稳定性差。不过其极向场靠“自然弛豫”产生（导致边缘场反向，所以称为反场箍缩），具有自组织约束的性质，可以从另一方面增加物理稳定性。 对于偶极场来说，是典型的自组织约束形式，其唯一的宏观快尺度不稳定性是“交换模”（两根磁力管——即两簇磁力线相互交换位置引起的）。我们所说的地球偶极场是因为极区电离层的“线（磁力线）绑定”（line tied）效应，所以磁力管无法“交换”，只有不是拓扑意义上的磁力线局域“交换”引起气球模的不稳定性。当年Bell Lab的Hasegawa教授（哥大的教授）提出建偶极场磁约束装置的设想，得到M. Mauel教授的响应，在哥大建了CTX、在MIT建了LDX；Hasegawa回到日本后在东大建了RT-1，我们也在哈工大的国家大科学工程“空间环境地面模拟装置”上建了一个偶极场位形（DREX）。但是，CTX和DREX的科学目标是模拟地球磁场，它与聚变研究无关，而RT-1和LDX则是以聚变研究为科学目标，且这两个装置都是利用线圈磁悬浮技术将超导电流环浮起在装置中，产生偶极场。 很遗憾，RT-1和LDX都没有取得预期的等离子体参数。LDX实现了线圈磁悬浮放电之后很快就关掉了，RFP的等离子体参数也比托卡马克的低。现在研究的主要目标是自组织过程和等离子体物理基本过程、特别是电磁湍流及其对输运的影响。 导致上述结果的原因可能就是自组织约束得到的等离子体的作用力梯度低，因为梯度高会引起很强的广义力，如果把等离子体和磁场进一步“铺开”、relax（弛豫），可能会降低参数（如密度、温度）分布的梯度。因此，凡是利用自组织约束位形约束的等离子体，占的地方一定会大，就像盖楼（外部约束）和堆沙子（自洽约束）一样：楼可以很容易盖高，占的地方也小；沙子想堆那么高，占的地盘不知道大多少倍。也就是说，同样尺寸的装置，外部约束得到的等离子体，参数会比“自组织约束”得到的等离子体高。要达到聚变点火的高参数，又想“compact”（紧凑），利用“自洽约束”是不可能。但是，如果遭遇地震，楼容易倒塌（disruption），而沙堆就不怕！——看来各有各的优势。 RFP其实并非完全用“自组织”来约束，它还是有环向场线圈的。现有的几个偶极场装置也都用了偶极场线圈，并不是单靠等离子体自洽产生的环电流来激发磁场。仿星器也不是完全靠外部磁场来约束，总是有一点等离子体电流，不然的话，岂不是像玩杂技一样——力学平衡太脆弱，只要对设计磁场位形有一点偏离，平衡就破坏了。所以，不同的磁约束装置都需要外部磁场约束，无非是相比自洽磁场约束有多强而已。 仿星器外部磁场约束是外部磁场约束最强的，托卡马克次之，其它磁约束装置又次之。所以想compact（紧凑），首选仿星器。但是，仿星器的复杂线圈使得环中间的空间很大。尽管小半径可能比托卡马克小，但是大半径可能比相同参数的托卡马克还大，而整体装置尺度是由大半径决定的。 仿星器的另一个问题是极向的线圈分布会产生各种真空磁岛位形，破坏边缘磁面拓扑结构。为了避免边缘效应，包围等离子体的最后封闭磁面离开真空室器壁的距离会比托卡马克远得多。这样一来，虽然等离子体的小半径小了，但其真空室小半径反而可能会变大。 总的看来，仿星器唯一的优越性只剩下等离子体电流没有那么强，可以降低大破裂的概率。如果仿星器的参数能达到托卡马克现在的水准当然是好消息，接下来就是进一步评估的问题了。 来源：王晓钢的博客 |
|
|
