作者｜Dr Jonathan Tennenbaum

本科研项目首席科学家｜Eric Lerner

LLP核聚变公司已经在创纪录的28亿℃高温下产生了低成本的核聚变反应。他们是如何做到这一点的。

第一部分：“核能领域”最热门理念：稠密等离子焦点，一种廉价的核聚变方式

在本系列的第一部分，笔者已向读者介绍了一种很有前途的核聚变创新方法，它利用一种被称为稠密等离子体焦点（DPF）的小型廉价设备。

由等离子体物理学家埃里克·勒纳（Eric Lerner）创立的LLP Fusion公司已经成功地利用DPF产生了大量的核聚变反应和创纪录的28亿℃高温。在许多方面，勒纳（Lerner）的装置可以与成本高达百倍的核聚变实验相媲美。

那么，这是怎么实现的呢？

是时候解释一下埃里克·勒纳（Eric Lerner）的DPF装置的工作原理了。(感兴趣的读者可以在LLPFusion网站上找到更多信息。笔者也将会在后续介绍Eric Lerner装置的视频演示）

稠密等离子体焦点的物理原理：在理论上已经被很好地理解，并且自20世纪70年代以来已经在无数实验中得到了证明。实验揭示了DPF放电现象中惊人的复杂现象，其特征是自组织和高能量密度结构的形成。

埃里克·勒纳（Eric Lerner）使用的DPF具体设计——由一对10厘米长的同心铍电极组成，安装在低压下充满气体燃料的室内。外电极（即阴极），其外部半径为5厘米。内电极（即阳极），是一个半径为2.8厘米的空心圆柱体。

电极通过一个快速开关与一组电容器相连，电容器的电压（通常）高达40,000伏特。当开关闭合时，电容器会向电极发送一个强大的电脉冲，使电极之间形成一个环形火花放电。在其峰值时，有超过100万安培的电流流过这个装置。

这个 "火花 "到底是什么？

将电容器组与电极连接起来，就会在它们之间的空间产生一个强烈的电场。在气体中，恰好没有与原子核结合在一起的少量电子，在巨大的力的作用下被加速向阳极方向移动，在沿途的过程中与原子碰撞，使更多的电子获得自由。

失去电子的原子成为带正电荷的离子，并加速向阴极移动，在移动过程中与其他原子发生碰撞。有些原子还与电极相撞，释放出更多粒子（主要是阴极的电子）。

随之而来的是一场“雪崩”，越来越多的电子被从原子中撞出，产生越来越多的自由电子和离子以及更多的碰撞。气体迅速转变为由自由移动的电子和离子，并组成高温、高能介质。

这种介质就是物理学家所说的 "等离子体"——有时被称为 "物质的第四种状态"。实际上，宇宙中大多数物质都是以等离子态存在的。

现在，有趣的事情开始了。电子流到阳极，离子流到阴极，构成了电流。电流会产生磁场。磁场作用于电子和离子，进而改变电流的模式。

箍缩效应（The pinch effect）

这时，一种众所周知的物理机制——“箍缩效应”（The pinch effect）开始发挥作用。“箍缩效应”是DPF集中能量的关键机制。简而言之，“箍缩效应”是指平行电流相互吸引的现象。这种效应是电流产生的磁场的结果。

因此，携带强电流的等离子体将被 "挤压"——压缩——垂直于电流的方向。

左图：由新英格兰大学的斯蒂芬·博西（Stephen Bosi）演示箍缩效应。右图：避雷针被闪电的夹击效应压碎。

（来源：Wikimedia commons）

现在最大的区别是。与此相反，DPF利用不稳定性作为达到聚变条件的主要机制。这种相反的理念是——为什么在实现核聚变能的主线努力中，等离子体焦点往往被忽视的原因之一。

三步走的核聚变方法

稠密的等离子体焦点通过一系列阶段达到了聚变的条件。这个过程对人眼来说太快了——整个放电过程只持续约百万分之二秒——但超高速摄像机和其他仪器可以记录每一个阶段。

第一阶段：

“箍缩效应”使原本光滑的等离子体鞘，分裂成密集的电流丝阵列，在电极之间径向运行。这些细丝具有特征性的涡流结构，等离子体物理学家温斯顿·博斯蒂克（Winston Bostick）和维托里奥·纳迪（Vittorio Nardi）早在20世纪70年代初就对这些细丝进行了详细研究。

DPF放电过程中产生的等离子体涡旋丝。这些照片是用一台曝光时间仅为5ns（ns=十亿分之一秒）的增强型CCD相机拍摄的，显示了在阴极叶片之间观察到的等离子体鞘层沿着阳极（朝右上方）移动。它们显示了电流开始流动后，鞘层从230-570纳秒开始发展。细丝（从左下到右上）的半径只有200微米。来源：Syed Hassan，LPPFusion。

第二阶段：

电磁场迫使细丝沿着装置的轴线快速移动。当细丝到达电极的末端时，它们就会弯曲成类似喷泉的形状，细丝延伸到中空阳极的内部。

在阳极内部，细丝之间的距离缩短。当它们的电流流向相同的方向时，“箍缩效应“再次发挥作用，导致细丝相互吸引。它们合并在一起，形成一条狭窄的等离子体细丝。

第三阶段：

此时，电磁相互作用导致被“箍缩”的丝线变得不稳定——即所谓的扭结不稳定。细丝缠绕成螺旋状。附近的线圈也相互吸引，同样是由于箍缩效应。最后，盘绕的长丝变得结实起来，形成一个紧密的结构，称为 "等离子体"。

等离子体的扭结不稳定性和形成的图表，以及显示等离子体区域的快速相机图像。

（来源：LPPFusion提供）

勒纳（Lerner）实验的等离子非常小——直径只有几分之一毫米，相当于原来等离子体体积的百万分之一。

放电的大部分能量现在都集中在这个微小的空间里。在这里，等离子体被电流丝产生的超强磁场所限制和压缩。在等离子体内部，快速移动的电子和离子的能量被转化为热量，产生了近30亿度的温度。

在这种温度下，会发生大量的聚变反应。核聚变的总输出取决于温度、燃料在质子中的密度和等离子体 "寿命 "的长短等综合因素。

在勒纳（Lerner）的实验中，等离子体只持续了约100亿分之一秒的时间。因此，现阶段需要解决的主要问题是——尽可能地提高等离子体密度。目前已经取得了很大的进展，但仍有相当长的路要走，笔者将在本系列的下一期和最后一期中看到。

本文首发于Asia Times（香港《亚洲时报》）

原文链接：https://asiatimes.com/2020/07/nuclear-fusion-the-easy-way/

特别声明：本站转载或引用之图文若侵犯了您的合法权益，请与本站联系，本站将及时更正、删除。版权问题及网站合作，请通过亚时财经邮箱联系：asiatimescn@sina.com