仿星器加永久磁铁,传递核聚变能量的最佳方式

作者:yupvip  阅读量:33  时间:2个月前

类似于冰箱上使用的永久磁铁,可以加速聚变能量的发展,聚变能量与太阳等恒星产生的能量相同。据美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)和德国格雷夫斯瓦尔德的马克斯·普朗克等离子体物理研究所的科学家表示:理论上,这种磁体可以极大地简化“仿星器”扭曲聚变设施的设计和生产。PPPL创始人小莱曼·斯皮策(Lyman Spitzer Jr.)在20世纪50年代初发明了仿星器。

大多数仿星器使用一组复杂的扭曲线圈,这些线圈像糖果棒上的条纹一样螺旋状,产生磁场,塑造和控制推动聚变反应的等离子体。像冰箱一样的永久磁铁,可以产生这些基本磁场的坚硬部分,能让简单非扭曲的线圈产生剩余的部分,而不是复杂的线圈。马克斯·普朗克仿星器理论部门负责人、研究的主要作者物理学家佩尔·海兰德说:扭曲线圈是仿星器最昂贵和最复杂的部分,必须以非常复杂的形式制造出非常高的精度。

最贵的缠绕线圈

研究正试图通过使用永久磁铁来降低对线圈的要求,简化仿星器,运行起来没有更广泛使用的托卡马克聚变设备所面临的破坏性中断风险,可以拥有巨大的吸引力。PPPL主任、该论文的合著者史蒂夫·考利说:我对使用永久磁铁来塑造仿星器中的等离子体感到非常兴奋,它使工程设计变得简单得多,其研究发表在《物理评论快报》期刊上。聚变是驱动太阳和恒星的动力,它将轻元素以等离子体的形式结合在一起。

等离子体是由自由电子和原子核组成物质的热、带电状态,可以产生大量的能量。世界各地的科学家正在使用托卡马克、仿星器和其他设施,努力在地球上创造和控制聚变,以提供几乎取之不尽的能量来发电。永磁体的新想法是乔纳森·扎恩斯托夫在初中时提出的一个科学博览会项目分支,乔纳森·扎恩斯托夫是PPPL首席科学家迈克尔·扎恩斯托夫的儿子,也是研究的合著者。

父子方案

当时乔纳森想制造一种轨道炮,这是一种通常使用高压电流产生磁场的装置,可以发射炮弹,但是在教室里使用高压电流会很危险。父子俩得出的解决方案是使用钕或稀土永磁体来安全地产生磁场,稀土磁铁具有令人惊讶和有用的特性。由于磁铁的小尺寸,它们会产生相当强大的磁场,而这些“硬”磁场几乎不受附近其他磁场的影响。因此,这些磁铁可以提供物理学家所说螺旋状星体磁场的“极向”部分,而简单的圆形线圈可以提供构成磁场其余部分的“环形”部分。

多年来一直在考虑这一点,但没有时间来发展这个想法,在与考利和威斯康星大学麦迪逊分校物理学家卡里·福雷斯特的讨论中,这个想法最终实现了。永久磁铁总是处于“开启”状态,这与仿星器和托卡马克使用的标准电磁线圈形成鲜明对比。这样的线圈在电流流过时会产生磁场,电流需要永磁体不需要的电源,使用永磁体简化仿星器线圈的其他优点包括:

1)成本低于手工制作的电磁铁

2)在简化线圈之间创建充足的空间,以便于维护

3)能够重新定位磁铁以创建各种形状的磁场

4)降低工程和制造风险

永久磁铁也有缺点,不能把它们关掉,这意味着它们可以吸引射程内的任何东西,产生的最大场强也有限。尽管如此,这样的磁铁“可以很好地在通往反应堆的道路上创造实验,而且可能会有更强大的永久磁铁出现。永久磁铁是一种策略和一套新的工具,必须弄清楚如何使用它们。该设施可以升级,以增加其现场力量,为继续开发简化的机器做准备。最终,包括永久磁铁在内的仿星器可能会产生能量为全人类发电。

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