除了刚才说的用环状磁体构成一个甜甜圈之外 , 托卡马克装置在中间加了一个柱状电磁体 , 通过快速改变通过它的电流大小 , 生成快速变化的磁场 , 进而在等离子体中诱导出感应电流 , 形成环绕等离子体的感应磁场 , 这个磁场跟甜甜圈内部原本的磁场相叠加 , 效果同样是形成了麻花状的磁场 , 中和了粒子向外的受力 , 让粒子在上下左右往复运动中达到动态平衡 。
然后在最外圈 , 还有几个大的环状电磁体 , 用来控制等离子体的大小和形状 。
这种构型后来被证明是非常靠谱的 , 到了六十年代 , 苏联建造的托卡马克T-3里的等离子体的综合指标 , 已超过同时期美国的仿星器C一个量级 。 正是从T-3起 , 国际社会认可了托卡马克装置的可行性和高效性 , 可控核聚变的研究方向正式转向了托卡马克 。
那为什么到了60年过去了 , 可控核聚变还没有实现呢?主要有两方面的原因 。
一方面等离子体对于人类来说是一种比较新的物质形态 , 我们对于它的理解还比较薄弱 , 需要一点一点地试错 , 排除问题以便最终实现对它的掌控 , 落实到科研上就是会重复造一个实验装置 , 做实验收集数据 , 再基于数据造新的装置的过程 。 事实上 , 自上世纪60年代以来 , 等离子体的实验参数已经提高了超过一千倍 , 逼近了点火三乘积 。
另一方面来说 , 为了经过大量研究分析后 , 科学家发现 , 约束时间τE和很多因素有关 。
其中 , R是等离子体的圆环的半径 , 这意味着 , 装置内等离子体体积越大 , 越有助于提高约束时间 。
凡事儿一搞大就麻烦了 , 装置更大势必会导致投资巨大 , 这就不是一般人能干的了 , 到最后点火的任务就落到了这个国际合作项目 , 耗资超过千亿的ITER的头上 。
ITER项目已经实施34年了 , 几经跳票 , 目前它计划于2025年底完成托卡马克的组装 , 之后进行高温等离子体的约束实验 。
如果一切顺利的话 , 它会在2035年开始氘氚聚变反应 , 或者说传说中的聚变点火实验 。 如果再次顺利的话 , 会在2040年后开始建设下一代的工程示范堆DEMO , 这个DEMO将是可以真正发电的 。 而根据ITER官方2021年6月公布的资料 , 它的施工进度已经达到78% 。
中国在ITER当中承担了大量关键的工作 , 包括组成环形场、极向场线圈的基于Nb3Sn超导线的铠装导体(CICC) 。
ITER有18个环形场线圈 , 每个线圈由7根CICC组成 , 共需要126根导体 , 中国承担其中11根的制造任务 。
而组成6个不同尺寸的极向场线圈的导体则由中国制造60根 , 约占全部所需的65% 。
ITER运行时 , 环形、极向场线圈上的导体内流动着4.2K(-269℃)的超流态液氦 。 环形场线圈上导通的电流高达68kA , 产生磁场强度最高达12T , 约为地球磁场的20万倍 。 极向场线圈上导通的电流达45kA , 磁场最高可达5T 。
除此之外 , 中国还将承担制造ITER所有共18个校正场线圈 。 它们的作用是补偿矫正制造、安装环形、极向场线圈的过程中产生的不可消除的磁场误差 。
磁体馈线(Feeder)是连接ITER保温杜瓦内的超导磁体与外部低温制冷系统、电源系统以及控制系统的接口部件 , 确保自低温(4 K)向室温过渡的实现 , 其主要功能是为超导磁体供电、供冷及信号测量 。
ITER共有31套Feeder , 共计6万余个部件 , 被称之为ITER主机的“生命线” 。 分别位于ITER装置主机的上部与底部 , 总重量约1500吨 。 中方负责制造ITER的所有Feeder 。
从外部看 , 每个磁铁馈线像是简洁集成的30—50米长的盒子 , 不过 , 其内部走线极为复杂 , 因为它必须要保证传输电流的汇流排和分配回收不同温度的低温流体的管道的完美并排运行 。
中科院等离子体物理所承担研发的68kA级高温超导电流引线创造了在85kA下运行1小时 , 90kA下运行4分钟的世界纪录 。 这些引线 , 集高载流能力、低冷量消耗和长失冷安全时间三方面优势于一体 , 降低了ITER的运行成本和低温系统的建造投入 。
双回路400kV电网组成的高压交流系统将供应ITER装置及其所有基础设施的运行所需能量 , 中国将提供400kV 高压变电站中的所有设备 。
400kV高压变电站作为大规模稳态加热和驱动源 , 主要为托卡马克装置运行中等离子体的产生、维持和加热提供能源;以及与高压电网间的能量传输、功率转换等 。
中国还将提供制造气体注入系统和部分诊断系统 , 前者是为等离子体操作、维护、控制和壁调节提供各种气体 , 同时提供用于加热和诊断中性束的氢和氘 , 以及用于颗粒注入和紧急聚变电源关闭的必要气体 。
推荐阅读
- 多少头虎鲸能杀死16米蓝鲸?一场几小时的海湾激战,结局不出所料
- 浙江杭州,一医学院学生家里有点药,便想着无偿送给小区里缺药的邻居以解燃眉之急
- 为什么日本男人进家门之前,要先喊:我回来了?日本网友:不想让妻子尴尬
- 真实案件:男科医生为了节约广告费,私自架设黑电台招揽生意
- 史诗级寒潮!极寒炸弹席卷美国,全球变暖失效?其实地球也在冰期
- 拜登将公布 1.8B 美元的乌克兰武器交易。这是它如何影响战争
- 日本真子公主:沉沦爱情陷阱,为嫁小室圭放弃皇族身份,孤身赴美
- 广东深圳:小哥送餐上个楼的工夫,被大爷扔了捡回来还去抢,叫他收租才肯放手
- “阳了”以后能否入住酒店自我隔离?多家酒店回应