利用恒星的力量：EPFL在聚变能研究领域已走过30年

利用恒星的力量：EPFL在聚变能研究领域已走过30年如今，EPFL已成为核聚变领域的领先研究机构，其目标是在地球上复制恒星中发生的反应。核聚变：为恒星提供动力恒星（如太阳）内部的高热和高压会导致成对原子（尤其是氢原子）聚集在一起或发生"聚变"。当这些轻原子核合并成一个较重的原子核时，会损失一些质量，并按照爱因斯坦的著名公式E=mc2转换成大量能量。这种核聚变过程为恒星提供了动力，并向宇宙释放出惊人的能量。EPFL的TCV（可变配置托卡马克）舱内。资料来源：EPFL/AlainHerzog科学家已经能够在地球上产生核聚变反应。全球研究人员目前面临的挑战是如何持续保持这些核聚变反应，并以高效、可控的方式利用释放的能量发电。在EPFL，工程师们选择研究一种使用环形磁约束反应堆（称为托卡马克）的方法。在这种方法中，氢同位素氘气被加热到一亿摄氏度，使其变成等离子体，并诱发氘核之间的高能碰撞。托卡马克的磁场将等离子体悬浮在真空室的中间，远离设备的内壁。瑞士等离子体中心：引领欧洲核聚变研究瑞士等离子体中心目前拥有约200名研究人员和学生，30年前就开始建造自己的可变配置托卡马克。由于其独特的设计，这个实验反应堆已成为欧洲最重要的核聚变研究设施之一。负责托卡马克测量系统的资深科学家巴西尔-杜瓦尔（BasilDuval）说："我们在互联网出现之前就建造了这个反应堆，它的核心依然如故。他指出，瑞士等离子体中心正在进行的研究在国际上享有盛誉--部分原因是该中心为国际热核实验反应堆（ITER）项目做出了贡献，部分原因是研究成果对整个核聚变研究界都很有价值。像瑞士这么大的国家能拥有这样的实验设施，实在是太了不起了。"为纪念其托卡马克装置投入使用30周年，瑞士等离子体公司将于9月份接待欧洲核聚变联盟的代表。该联盟是多项核聚变计划的幕后推手，包括推进热核实验堆的物理基础，并通过TCV托卡马克等设施的实验来优化其成功机会。瑞士等离子体中心主任AmbrogioFasoli也是EUROfusion的主席，并刚刚被任命为该联盟的项目经理。他表示："我们在瑞士等离子体中心过去30年的工作为等离子体行为提供了重要的见解。TCV在这项工作中发挥了至关重要的作用。最近对其基础设施进行的升级扩大了我们研究国际热核实验反应堆、DEMO和未来聚变反应堆关键问题的能力。未来的挑战是巨大的，但我们完全有能力为聚变能源的发展做出重大贡献，因为聚变能源是未来全球能源组合的重要组成部分。"TCV托卡马克内的等离子体。图片来源：©CurdinWüthrich/SPC/EPFLEPFL独特的托卡马克方法由于EPFL的托卡马克是一个"可变构型"反应堆，科学家们可以利用它来观察等离子体构型的变化如何影响等离子体的特性（如温度和约束质量），并研究新的等离子体构型。它还可用于评估分流器的不同配置，分流器是用于控制反应堆堆芯能量释放的装置。它们的作用对于在不损坏反应堆的情况下长时间维持等离子体至关重要，工程师们仍在努力优化它们的设计。瑞士等离子体中心最近与GoogleDeepMind合作，开发了一种基于深度强化学习的新型等离子体磁控制方法，并首次成功将其应用于TCV托卡马克中的实际等离子体配置。与所有托卡马克一样，EPFL的托卡马克也有一个将气体转化为等离子体的真空室。这个真空室被大型磁线圈产生的环形磁场包围，防止等离子体接触真空室的内壁。此外，还有一个带有欧姆线圈的中心柱，可保持等离子体的稳定性，以及一个可塑造等离子体结构的极性磁场。整个反应堆配备了一个利用微波和热粒子喷射的加热系统，辅以一系列测量温度、密度、辐射、等离子体构型波动和其他重要参数的仪器。在未来的聚变发电厂中，等离子体内聚变反应产生的热量将为涡轮机提供动力（类似于当前的核裂变反应堆），并产生大量可靠的基荷电力。这一过程将是可持续的、无碳的，不会产生长期的放射性废物。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388175.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388175.htm

科学简单点：什么是等离子体？

科学简单点：什么是等离子体？在等离子体中，一些电子从中性原子（质子和电子数目相等，因此带中性电荷的原子）中分离出来，成为自由电子。由此产生的自由电子使等离子体不同于其他物质状态，在其他物质状态下，电子仍然紧紧地与原子核结合在一起。当等离子体中的原子与带负电荷的电子分离时，它们就不再带有中性电荷。相反，原子变成了离子--带正电的粒子。因此，等离子体是一种由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的电离状态。极光是由地球大气等离子体中的粒子碰撞形成的。资料来源：弗兰克-奥尔森原子中的电子能够分离并形成等离子体有几个原因。在实验室实验中，科学家可以用高压电、激光或电磁场轰击原子，从而形成等离子体。在太空中，高能光子（包括伽马射线）撞击原子也会形成等离子体。在太空中，当重力使压力剧增，从而使气体过热时，也会形成等离子体。高温使原子相互碰撞，导致电子从原子中分离，形成等离子体和恒星的雏形。气体过热产生等离子体的过程表明，气体和等离子体之间的关系类似于液体是固体的加热形式。这种类比并不总是正确的。首先，与气体不同，等离子体可以导电。此外，在气体中，所有粒子的行为方式都相似。然而，在等离子体中，电子和离子的行为和相互作用方式非常复杂，从而产生了波和不稳定性。等离子体有多种类型。宇宙中的大多数等离子体被研究人员称为高温等离子体。在这些高温等离子体中，温度可以超过华氏1万度，所有原子都可以完全电离。低温等离子体则不同。原子只是部分电离，温度低得惊人，甚至只有室温。另一种不寻常的等离子体是高能量密度等离子体，科学家在实验室中制造这种等离子体来研究它们的不寻常特性。总结：有一种闪电--球状闪电--是等离子体。从马克斯-普朗克研究所了解更多信息。极光也是由等离子体造成的。在本科学集锦中了解更多信息。封闭等离子体是设计聚变托卡马克和恒星器设备的重要步骤，这些设备最终可能为我们提供聚变动力。高能量密度等离子体科学实现了实验室条件下的聚变点火。研究等离子体有助于科学家了解物质。这也有助于他们向聚变能源的目标迈进。能源部（DOE）科学办公室通过聚变能源科学和核物理计划支持等离子体研究。能源部资助的等离子体研究还改进了从手机、电脑到汽车等各种产品中的半导体制造。等离子体方面的专业知识帮助能源部国家实验室的研究人员开发出了逐原子控制半导体制造的方法。编译来源：ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？科学简单点：什么是暗物质和暗能量？科学简单点：什么是X射线光源？科学简单点：什么是自主发现？科学简单点：什么是氢能源？科学简单点：什么是“关键材料”美国政府定义了多少种？...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432055.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432055.htm

乌克兰研究人员参与取得聚变发电成果 微波加热等离子体迎来突破性进展

乌克兰研究人员参与取得聚变发电成果微波加热等离子体迎来突破性进展HeliotronJ装置的结构。资料来源：京都大学/HeliotronJ小组质体必须保持在正确的密度、温度和时间，才能发生核聚变。包括马克斯-普朗克等离子体物理研究所在内的研究团队已经确定了等离子体生产的三个关键步骤，并利用HeliotronJ设备研究核聚变等离子体放电。他们发现，在不对准磁场的情况下施加2.45GHz微波会产生密集的等离子体，这有可能简化未来的聚变研究。主要作者YuriiVictorovichKovtun，尽管在目前的俄乌战争中被迫撤离哈尔科夫物理技术研究所，但仍继续与京都大学合作，利用微波创造稳定的等离子体。让等离子体恰到好处是利用核聚变所承诺的大量能量的障碍之一。等离子体--离子和电子的汤--必须保持适当的密度、温度和时间，使原子核融合在一起，以达到预期的能量释放。一种配方涉及使用大型的、带有强大磁铁的甜甜圈形状的装置，这些磁铁包含等离子体，同时仔细排列的微波发生器加热原子混合物。物理学聚变能量波的概念聚变能源是一个迷人的、有前途的研究领域，它试图利用为太阳提供动力的相同过程来生产清洁、丰富和几乎无限的能源。现在，京都大学先进能源研究所与哈尔科夫研究所和马克斯-普朗克等离子体物理研究所合作，利用低频率的微波功率，创造出具有聚变适宜密度的等离子体。研究小组已经确定了等离子体生产的三个重要步骤：闪电般的气体分解、初步等离子体生产和稳态等离子体。这项研究正在使用HeliotronJ进行，这是位于京都大学南部宇治校区的先进能源研究所的实验性聚变等离子体设备的最新迭代。小组负责人长崎和信解释说："最初，我们没有想到在HeliotronJ中会出现这些现象，但惊讶地发现等离子体的形成没有回旋共振。"在几十年的经验基础上，长崎的团队正在探索HeliotronJ中的聚变等离子体放电现象。该小组将2.45GHz的微波功率的强烈爆发注入进料气体。家庭中的微波炉在这个相同的频率下工作，但HeliotronJ的功率大约是10倍，而且集中在几个气体原子上。"出乎意料的是，我们发现在没有对准HeliotronJ的磁场的情况下爆破微波会产生一种放电，将电子从其原子上撕下来，并产生一种特别密集的等离子体，"长崎惊叹道。"我们非常感谢我们的同事能够继续支持这项研究，关于这种利用微波放电产生等离子体的方法的发现可能会简化未来的聚变研究。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352969.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352969.htm

日本古代艺术Kintsugi（金继）为下一代聚变反应堆的技术突破带来灵感

日本古代艺术Kintsugi（金继）为下一代聚变反应堆的技术突破带来灵感"这就是这项工作的特别之处，这种方法可以保持高性能等离子体，同时控制等离子体核心和边缘的不稳定性。这种同时控制尤为重要，也很难做到。"美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的约瑟夫-斯奈普斯（JosephSnipes）说，他是普林斯顿等离子体物理实验室托卡马克实验科学部副主任，也是论文的共同作者之一。PPPL物理学家Seong-MooYang领导的研究团队横跨美国和韩国的多个机构。杨说，这是首次有研究团队验证了一种系统的方法来调整磁场缺陷，使等离子体适合用作电源。这些磁场缺陷被称为误差场。"我们的新方法能确定最佳误差场校正，从而提高等离子体的稳定性，"Yang说。"事实证明，这种方法能在不同的等离子体条件下增强等离子体的稳定性，例如，当等离子体处于高磁约束和低磁约束条件下时。Yang在DOE的国家研究SLAM上介绍研究成果。难以纠正的错误误差场通常是由容纳等离子体的装置（称为托卡马克）的磁线圈中的微小缺陷造成的。到目前为止，误差场只被视为一种麻烦，因为即使是非常小的误差场也会导致等离子体中断，从而停止聚变反应，并可能损坏聚变容器的内壁。因此，核聚变研究人员花费了大量的时间和精力，精心寻找纠正误差场的方法。Yang说："要消除现有的误差场是相当困难的，因此我们可以在核聚变容器周围施加额外的磁场，而不是修复这些线圈的不规则性，这一过程被称为误差场校正。"过去，这种方法也会伤害等离子体的核心，使等离子体不适合用于聚变发电。这次，研究人员能够消除等离子体边缘的不稳定性，并保持核心的稳定性。这项研究是PPPL研究人员如何缩小当今核聚变技术与将核聚变发电引入电网所需技术之间差距的最好例证。"这实际上是打破系统对称性的一种非常有效的方法，因此人类可以有意降低封闭性。这就好比在气球上开一个很小的洞，这样气球就不会爆炸了，"PPPL的研究人员兼论文合著者SangKyeunKim说。正如空气会从气球上的小孔漏出一样，误差场也会漏出极少量的等离子体，这有助于保持其整体稳定性。同时管理等离子体的核心和边缘管理核聚变反应最困难的部分之一是让等离子体的核心和边缘同时表现良好。这两个区域的等离子体温度和密度都有理想的区域，要达到这些目标，同时消除不稳定性是非常困难的。这项研究证明，调整误差场可以同时稳定等离子体的核心和边缘。通过仔细控制托卡马克线圈产生的磁场，研究人员可以抑制边缘不稳定性（也称为边缘局部模态（ELM）），而不会造成混乱或严重的约束损失。论文作者、PPPL职员研究物理学家胡启明说："我们正在努力保护该设备。"将研究扩展到KSTAR之外这项研究是利用韩国的KSTAR托卡马克进行的，该托卡马克能够非常灵活地调整其磁场误差配置。这种能力对于试验不同的误差场配置以找到稳定等离子体的最有效配置至关重要。研究人员说，他们的方法对未来托卡马克核聚变试验装置的设计具有重大意义，有可能使其更加高效和可靠。他们目前正在开发人工智能（AI）版本的控制系统，以使其更加高效。"这些模型相当复杂，计算起来需要一些时间。但当你想在实时控制系统中做一些事情时，你只能承受几毫秒的计算时间，"Snipes说。"利用人工智能，你基本上可以教会系统该期待什么，并能够利用人工智能提前预测控制等离子体所需的条件以及如何实时实现这些条件。"虽然他们的新论文重点介绍了利用KSTAR内部磁线圈所做的工作，但Hu建议未来对聚变容器外的磁线圈进行研究将是非常有价值的，因为聚变界正在摒弃将此类线圈安置在真空密封容器内的想法，因为等离子体的极度高温可能会破坏此类组件。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425626.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425626.htm

TAE首次实现读取磁约束氢硼核聚变的数据

TAE首次实现读取磁约束氢硼核聚变的数据该装置被设计为维持3000万°C（5400万°F）的等离子体，但它已经突破了7500万°C（1.35亿°F）。今天，TAE正在庆祝在备受尊敬的《自然-通讯》杂志上发表了一篇经同行评审的论文，团队记录了世界上首次对磁约束等离子体中的氢硼聚变的测量。这句话高度具体是有原因的；作者指出，H-B核聚变已经在激光产生的等离子体和粒子加速器中通过束靶聚变进行了测量。但是这些环境并不能告诉TAE关于H-B核聚变及其产物在磁约束等离子体中如何表现和扩散，就像他们将在反应堆中使用的那些。日本国家聚变科学研究所的大型螺旋装置--一个大型超导恒星仪NIFS这些实验是作为与日本国家聚变科学研究所（NIFS）合作的一部分进行的，该研究所拥有世界上最大的超导等离子体约束装置和世界上第二大的恒星仪：大型螺旋装置，或LHD。它不是专门为追求氢硼核聚变而设计的，但该项目利用了LHD已经具有向等离子体中注入硼或氮化硼的系统这一事实。一般来说，注入硼是为了调节安全壳的壁，清除杂质，减少湍流，改善等离子体的封闭性，并提高等离子体的电子密度--但该团队意识到，硼也积累在等离子体的中间，其密度足以使高能质子射入等离子体时产生可测量的氢硼聚变。因此，TAE组装了一个系统，基于钝化植入式平面硅（PIPS）探测器，以检测LHD室中H-B核聚变产生的α粒子（或氦核）。果然，当硼注射和高能质子束同时开启时，PIPS机器检测到了超过150倍的α粒子脉冲。实验装置中的高能质子击中硼粉粒子TAE技术公司首席执行官MichlBinderbauer说："这项实验为我们提供了大量的数据，并表明氢硼在公用事业规模的聚变发电中占有一席之地。我们知道，我们可以解决手头的物理挑战，并向世界提供一种变革性的无碳能源新形式，这种能源依赖于这种无放射性的丰富燃料。"这种性质的研究将继续进行，希望能找到增加核聚变收益的方法，以及其他方面。而且，TAE将继续迭代自己的设备，计划在"十年中期"推出"哥白尼"反应堆，TAE预计该反应堆将能够获得比运行所需更多的能量。到2030年代初，该公司预计其"达芬奇"机器将启动和运行，它说这将是世界上第一个H-B核聚变发电厂原型，与电网连接并提供电力。该论文在《自然通讯》杂志上公开发表。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1347117.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1347117.htm

新型钨反应堆让核聚变更接近现实

新型钨反应堆让核聚变更接近现实对于那些不熟悉托卡马克的人来说，它本质上是一个甜甜圈形状的装置，利用强大的磁场来容纳和控制等离子体--一种极热、带电的气态混合物，对于复制恒星中的聚变反应至关重要。由法国替代能源和原子能委员会（CEA）运营的WEST（稳态托卡马克中的钨环境）反应堆处于这项研究的最前沿。这一突破取决于钨的使用，钨是灯泡灯丝中常见的灰白色金属。这种金属以其卓越的耐热性能而著称，能使等离子体达到难以置信的高温和高密度，而不会导致腔壁熔化。在创纪录的运行过程中，研究小组向WEST注入了1.15千兆焦耳的能量，使等离子体在大约5000万摄氏度的高温下持续燃烧，其温度是太阳核心温度的三倍多。普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）提供了专门的X射线诊断工具，用于精确测量WEST内的强等离子体条件，在这一成就中发挥了至关重要的作用。据普林斯顿等离子体物理实验室的路易斯-德尔加多-阿帕里西奥（LuisDelgado-Aparicio）说："等离子体聚变界是最早利用混合光子计数技术监测等离子体动态的机构之一。"法国原子能委员会科学家泽维尔-利塔乌东（XavierLitaudon）解释了为什么钨托卡马克的这一成就是如此重大的突破。"我们需要提供一种新的能源，而且这种能源应该是持续和永久的"。核聚变可以成为改变游戏规则的能源--一种几乎取之不尽、用之不竭的清洁能源，没有任何放射性废物或碳排放。然而，要实现自持聚变反应，使其产生的能量大于消耗的能量，是一项巨大的挑战。从超高温等离子体中提取比启动和维持核聚变过程所需更多的能量，需要极高的温度和极长的约束时间。这就是为什么最近在WEST取得的突破如此令人期待。正如协调该实验的雷米-杜蒙（RemiDumont）简明扼要地指出的那样--"一个惊人的结果"。虽然人类的核聚变能源梦想还需要数年或数十年的时间才能实现，但像这样的里程碑式事件表明，我们正在一步步地接近它。主要的参与者也在加倍努力实现核聚变的承诺。微软公司与Helion公司合作，计划在2028年之前开发出商业核聚变技术，而日本则在去年推出了大型JT-60SA托卡马克反应堆--一个六层楼高的庞然大物，旨在破解核聚变约束难题。与此同时，扩大这种新型钨反应堆的规模，可以使人们期待已久的核聚变未来更加清晰。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430758.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430758.htm