挤进热核反应堆会看到什么? 国家地理摄影师带你第一视角探秘

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运行期间,容纳在温德尔斯坦7-X核反应堆内部的这片空间的等离子体,温度比太阳还高。摄影:PAOLO VERZONE 摄影:Paolo Verzone 撰文:Brian Resnick 国家地理探险家保罗·韦尔佐内穿着整套纯白实验室洁净服,配上白色的鞋子和

运行期间,容纳在温德尔斯坦7-X核反应堆内部的这片空间的等离子体,温度比太阳还高。摄影:PAOLO VERZONE

  摄影:Paolo Verzone

  撰文:Brian Resnick

  国家地理探险家保罗·韦尔佐内穿着整套纯白实验室洁净服,配上白色的鞋子和手套,沉下身,挤进并不比他宽多少的入口,如他所言,“进入一颗恒星。”

  最起码,这差不多是是人在地球上能找到的与此最接近的体验。11月的这一天,韦尔佐内收到批准,可在温德尔斯坦7-X仿星器(Wendelstein 7-X)维护期间进行少见的独家探访。这处核反应实验堆位于德国格赖夫斯瓦尔德马克斯-普朗克等离子体物理学研究所。

  韦尔佐内所在的环状腔室在温德尔斯坦7-X运行期间充满等离子体,那是一种高温增压气体。机器将等离子体加热到上千万摄氏度,随后用降温至零下269摄氏度(接近绝对零度)的超导磁体容纳它。

在仿星器维护期间进入设施内部。视频:MASSIMO NICOLACI

  这种极致的差异意味着该设施开启时,将暂时成为我们整个太阳系最炎热也最寒冷的位置。而更为重要的是,那些极端条件让核聚变成为可能:反应发生时,氢等氢量原子在巨大热量与压强下结合,这一过程产生了更重的原子,还额外奉送了一份清洁能源。它与太阳产生光和热的方法师出同门。人类希望,有朝一日,核聚变反应堆将能为我们的电网带来取之不尽的零排放电力。

  核聚变反应堆有几种配置。温德尔斯坦7-X属于仿星器,这类反应堆为核聚变物理学家苦苦思索的问题提供了一个颇具雕塑感的解决方案。

温德尔斯坦7-X实验堆从2005年开始组装,到2014年完工。此处可以看见外围实验堆容器(直径略长于15米)、诊断设备以及冷却和加热系统。

反应堆墙壁上排列着大约8000片石墨砖和水冷不锈钢板,它们的作用是保护实验堆不被等离子体损坏。

  在该实验堆工作的物理学家约瑟芬·普吕尔(Josefine Proll)打了个比方:想象一辆玩具车开上赛道。在这个情境里,小车就好比反应堆中的等离子体粒子。它们要完成两件事,才能让核聚变发生:

  快速行驶(保持极高的温度和动能,克服静电斥力),

  并且待在赛道上(粒子必须受到磁场良好约束,若不然,它们就会失控撞向反应堆容器壁,导致反应停止,甚至损坏装置)。

  所以,“和玩具小赛场一样,”普吕尔说,你需要让轨道在转弯处轻微向内倾斜,这样车子才能“始终保持不冲出赛道。”

  其他核聚变实验堆,例如规模庞大的ITER法国托卡马克核聚变实验堆,通过在等离子体内部创造电流(产生环绕等离子体的磁场,与外部磁场结合形成螺旋磁场,实现约束),完成转弯;仿星器则另辟蹊径,利用精妙扭曲的磁线圈环绕反应室(直接在外部形成螺旋结构磁场),从而实现这一目标。

  这种设计选择为技术突破留出了空间:不久前,温德尔斯坦7-X维持过热等离子体放电长达43秒,超越托卡马克最高成绩,创下了最长持续记录。同时,它还创造了容许爬入内部的优美工程杰作。约8000片石墨砖和水冷不锈钢板铺设在螺旋墙壁上,防止设施过热。

仿星器螺旋型内部之旅。视频:MASSIMO NICOLACI

来自马克斯-普朗克等离子体物理学研究所和国际核聚变实验室的大约100名科学家共同致力于让核聚变发电厂走入现实。如图所示,设施运营期间,几位研究人员正在温德尔斯坦7-X控制室内工作。

核聚变反应堆必将产生超高温等离子体,同时又要用超冷却磁体容纳等离子体。最近,仿星器7-X实现了创纪录的等离子体持续发电时长:43秒。

温德尔斯坦7-X是全世界最大的仿星器,属于核聚变反应堆的一种。它能够产生温度高达1亿摄氏度的等离子体。

  温贝托·特里米尼奥·莫拉(Humberto Trimiño Mora)是马克斯-普朗克等离子体物理学研究所的诊断专家,他身后的加速重离子的机器能让重离子以高动能射穿等离子体。

  对于韦尔佐内来说,幕后的短暂窥探就像一次灵魂奇旅。“你仿佛踏入了一座大教堂的地窖,”他说——一个人迹罕至的圣所,一个沉思崇高存在的静地,“假使爱因斯塔踏入此地——他一定会激动得不能自已。”

  这座反应堆尚不能产出可供持续使用的核聚变电力。实验进行至今,主要是在测试等离子体系统的设计与稳定性。而且就算科学家们实现了稳定的核聚变反应,即达成能量产出大于投入,也还有更多工程挑战等待克服。例如:怎样讲等离子体所含能量提取出来输送到电网?(科学家们也在努力破解这个难题。)

  诚然前路漫漫,普吕尔仍乐观地认为,在我们有生之年,人类必将实现核聚变发电。“过去十年,我们已经见证许多了不起的突破,”普吕尔说,“而今我想,核聚变事业更强劲的发展势头终于要出现了。”

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