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每秒,16,000,帧,科学家终于可以看到核聚变内部景象

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托卡马克能源公司ST40聚变反应堆内,氘和锂发出绚丽光芒。

当托卡马克启动时,加固的腹部内会发生神奇的事。

重氢产生的等离子体绽放粉红色,在甜甜圈形状腔室中翻滚。

微小锂颗粒落入漩涡,像猩红色仙尘般闪光,然后爆发出鲜艳的黄绿色光芒。

多亏高速彩色摄像机,我们能看到ST40内部等离子体升温过程。

但令人惊叹的不只是景色,观察炽热锂的轨迹,或许能帮物理学家克服聚变技术主要障碍之一:如何安全排出等离子体逸出的巨大热量。



托卡马克需要把等离子体约束在数百万度高温下,才能迫使原子核聚集。

但约束并不容易,巨大能量难免逃逸。

热量总要散失,托卡马克装置设计成尽可能把逸出热量导向偏滤器。

目前实验持续时间较短,但未来聚变电站中,这些部件必须长时间承受极高热负荷而不解体。

偏滤器热负荷是影响未来球形托卡马克设计的关键因素。

ST40实验中,研究人员测量到热通量高达每平方米150兆瓦。

散热是研究人员利用ST40研究的问题之一,包括能否诱导等离子体本身发挥作用。

通常,等离子体中杂质会造成问题,导致热量更快散失。

但如果冷却发生在等离子体边缘正确位置,反而可能是优势。

它能减少喷射到偏滤器的热量,同时等离子体环内部仍保持足够高温。

这就是X点辐射器实验机制背后的理念。

X点是靠近偏滤器的磁场区域,磁场形成独特X形结构。



物理学家希望鼓励杂质向该区域辐射能量,在等离子体到达偏滤器前冷却它。

锂是物理学家一直试验的材料之一。

与直觉相反,相机捕捉到的彩色等离子体并不是ST40最热部分。

聚变核心温度太高,无法产生可见光;相机揭示的是边缘较冷等离子体的情况。

粉红色光芒来自注入的氘气。

锂颗粒进入较冷外部区域时,中性锂原子受激发,发出深红色光芒。

当锂进一步渗透到更热等离子体中,原子失去电子变成锂离子,发出独特黄绿色光。

由于锂离子带电,会跟随磁场运动,那些黄绿色条纹变成发光示踪物,用来追踪原本不可见的磁力线。

彩色相机为物理学家提供方法,追踪不同条件下原子和离子的运动轨迹,揭示锂的迁移路径和渗透深度。

结合光谱学,高速影像帮助观察杂质是否按预期方向辐射能量。

初步迹象表明,XPR方法可能有效。

ST40初步结果中,研究人员已能产生辐射区域,穿过X点并显著冷却等离子体边缘。测量表明,到达偏滤器的热量会下降。

研究人员认为,大部分辐射来自装置壁上脱落的碳,而非人为引入的锂。

目前正进行使用锂和氖进一步降低热负荷的实验。

计算机模型表明,锂可能特别有用,可集中在偏滤器周围发挥冷却作用,而不降低等离子体核心性能。

托卡马克能源公司计划进一步推进。

ST40正进行重大升级,用钼代替碳装甲,引入锂涂覆系统,并添加新诊断设备。

这些绚丽光芒携带的信息,或许能帮我们更接近核聚变的未来。

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