韓國“人造太陽”——KSTAR裝置近日實現重大突破。該裝置成功將等離子體環路加熱至1.8億華氏度(1億攝氏度)并維持長達48秒,刷新2021年創下的31秒世界紀錄。
這一進展是邁向實現近乎無限清潔能源的關鍵一步。科研人員數十年來致力于借助核聚變實現人類無限能源需求,該技術模擬了恒星內部的能量產生過程。核聚變通過高壓、高溫條件下使氫原子轉化為氦原子,從而釋放能量。而恒星正是通過這一過程,將物質轉化為光熱,產生龐大的能量,并且不會排放溫室氣體亦無長期放射性廢物。
然而,實現在實驗室條件下仿照恒星內核的核聚變并非易事。當前最常用的聚變反應堆設計為托卡馬克裝置,其運作原理是將等離子體(由帶電離子與自由電子構成)加熱至超熱狀態后限制在甜甜圈狀的反應室內,利用強大磁場進行約束。
盡管早在1958年蘇聯科學家納坦·雅夫林斯基便設計出首個托卡馬克裝置,但至今仍無人能造出凈輸出能量大于輸入能量的聚變反應堆。
核聚變面臨的主要挑戰之一便是如何應對達到聚變溫度的等離子體。由于聚變反應堆所需壓力遠低于恒星內部自然發生的聚變環境,故需極高溫度,甚至高于太陽核心溫度。如太陽核心溫度約為2700萬華氏度(1500萬攝氏度),而壓力則相當于地球海平面大氣壓的3400億倍。
實現上述高溫相對容易,難點在于尋找有效控制等離子體的方法,防止其燒穿反應堆壁或破壞聚變過程。這通常需要借助激光或磁場進行約束。
為延長等離子體燃燒時間,科研人員對反應堆設計進行改良,如采用鎢替代碳以提升托卡馬克偏濾器效率,此類偏濾器可清除反應堆中的熱量及灰燼。
KSTAR團隊計劃在2026年前使反應堆在1.8億攝氏度高溫下維持300秒。此項成就使韓國躋身全球核聚變競爭行列,其中包括美國政府資助的國家點火裝置(NIF),后者曾因反應堆核心短時內產生的能量超出輸入能量而備受矚目。
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