科學理論新突破可望提升核融合能源輸出量

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

物理學家檢視了30多年來支撐電漿與核融合研究──包括主導像是國際熱核融合實驗反應爐(ITER)等大型研究專案──的基礎定律之一,證實了額外的氫可以被安全地應用於核融合反應爐,以提高能源輸出。

洛桑聯邦理工學院(EPFL)旗下的瑞士電漿中心(Swiss Plasma Center)科學家們,最近重寫了核融合的基礎電漿定律,揭露了更多的氫(hydrogen)可能被安全地部署於核融合反應爐,並因此提高能源生產量。

看好核融合物理學的卓越商機,EPFL的物理學家在歐盟的一個合作研究計畫下,檢視了30多年來支撐電漿與核融合研究──包括主導像是國際熱核融合實驗反應爐(ITER)等大型研究專案──的基礎定律之一。新的數學物理(經驗性)發現,證實了額外的氫可以被安全地應用於核融合反應爐,以提高能源輸出。

著眼於雄心勃勃的對抗氣候變遷目標,使用更潔淨的能源以實現綠色轉型成為各國的關注焦點;不過僅投資可再生能源,可能不足以確保經濟可靠性以及穩定的能源供應。因此核融合無疑成為能源領域的「聖杯」,而在太陽能與能源儲存能夠推動我們即將經歷的能源革命之前,還需要很多年的時間。

核融合是讓兩個原子核(atomic nuclei)合而為一,並因此釋出巨大的能量;我們每天感受到太陽的光與熱就是來自於此。目前國際間有數個研究專案聚焦於核融合能源,ITER是其中之一,其目標是製造出高溫電漿,以提供發生核融合的恰當環境,並產生能源。

電漿類似一種氣體,是由帶正電的原子核以及帶負電的電子所組成,其密度大約是我們所呼吸空氣的100萬倍。電漿是透過將作為「核融合燃料」的氫原子置於超高溫度(比太陽核心的溫度高10倍)下所製造,迫使電子從其原子核中分離;其過程是在一個形狀像甜甜圈(環形)的結構中發生,被稱為托卡瑪克(tokamak)。

ITER專案

托卡馬克內的甜甜圈形狀真空腔就是它的心臟,當氣態氫燃料暴露於高溫下,會轉化為電漿;電漿為輕量元素提供混合並產生能量的環境。電漿中的帶電粒子以強力磁圈塑形,讓加熱的電漿離開結構壁,同時又保持足夠的厚度讓粒子結合。

當電漿粒子帶電並碰撞,溫度就會開始升高。利用目前的技術可望達成核融合所需溫度(1.5億~3億°C);ITER是以超導磁鐵──為極向磁場線圈(poloidal field coils)結構──來容納電漿(環狀磁場線圈),並維持其形狀與穩定性。

 

ITER 核融合反應爐專案。

(來源:ITER)

新理論

根據EPFL的專家說法,要產生核融合所需的電漿,需要考量三個基本條件:高溫、高氫氣密度,以及有效的侷限(confinement)。瑞士電漿中心的物理學家Paolo Ricci發現,規劃中的ITER托卡瑪克能以兩倍的氫來運作,因此能產生比過去所認為更多的核融合能源。

專家們指出,在托卡瑪克中產生電漿的限制之一,就是可用的氫氣量;不過如果添加更多燃料,就會出現所謂的「擾動」(perturbation),或者說電漿侷限的損耗。而研究人員一直以來致力於預測可使用的最大氫氣密度。

美國麻省理工學院(MIT)電漿科學與核融合中心(Plasma Science and Fusion Center)的專家Martin Greenwald (在1988)年提供了一個公式,將燃料密度、托卡瑪克的最小半徑(甜甜圈的內圓半徑),以及托卡瑪克內部的電流連結起來。從那時候起,以經驗推導的「Greenwald限制」──ITER亦奠基於其上──成為核融合研究的核心原則。

瑞士電漿中心與其他托卡瑪克團隊合作規劃了一個實驗,目標是能精確管理注入托卡瑪克的燃料量。參與該實驗的主要合作夥伴包括位於英國的歐洲聯合環狀反應爐(Joint European Torus),以及位於德國的ASDEX Upgrade;後者為馬克斯-普朗克研究院(Max Plank Institute)的托卡瑪克專案。

透過資料分析、關聯程序以及電腦軟體模擬數學模型,科學家已經建立了一套規則連結燃料密度與托卡瑪克的尺寸。他們指出,電腦模擬顯示,當更多燃料添加至電漿,有一部份會從托卡瑪克的冷外層(邊界)移動到核心,因為電漿會更呈現湍流狀態。

不同於電氣銅導線溫度越高電阻越大,電漿是在冷卻時電阻變大;所以在相同溫度下投入更多的燃料,會有更大部份的電漿冷卻,也更難讓電流通過電漿,也可能導致運作中斷。

此模擬結果產生了對於托卡瑪克內燃料限制的新公式,也與實驗結果一致;團隊的研究論文已刊登於權威物理學期刊《Physical Review Letters》。新公式顯示,「Greenwald限制」可以被放寬,也就是ITER可望以兩倍的燃料量來產生電漿,不用擔心運作中斷問題。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年7月號

編譯:Judith Cheng

(參考原文:New Physics Research Unlocks Fusion Energy,By Maurizio Di Paolo Emilio)

 

 

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