逃逸电子减速为核聚变能研究铺平了道路

诸平

据查尔莫斯理工大学（Chalmers University of Technology）2017年6月21日提供的消息，瑞典查尔莫斯理工大学物理系的研究人员与德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所（Max-Planck-Institute for Plasma Physics）的研究人员合作研究对逃逸电子的减速为核聚变能的应用研究铺平了道路。

Fig. 4 Although the vacuum chamber in the British fusion reactor JET has a wall made of solid metal, it can melt if it gets hit by a beam of runaway electrons. It is these runaway elementary particles that doctoral students Linnea Hesslow and Ola Embréus have successfully identified and decelerated. Credit: Eurofusion

尽管英国聚变反应堆JET内的真空室周围墙壁都是由固体金属铸就的,但是如果其受到逃逸电子的撞击即可融化。而博士研究生琳妮·赫斯洛（Linnea Hesslow）和欧拉·恩布勒斯（Ola Embreus）已经成功地对于这些逃逸的基本粒子进行了识别与减速（Fig.4）。

核聚变能量有潜力提供清洁和安全能源,因为其不会排放二氧化碳。然而,模仿太阳能过程是一个艰巨的任务。瑞典查尔姆斯理工大学的两位年轻的等离子体物理学家，现在已经使我们向着功能性的核聚变反应堆更近了一步。他们的模型可能会导致更好减速逃逸电子的方法,因为逃逸电子可能会毫无征兆地毁坏未来的反应堆。

要使原子结合不仅需要高压，而且需要高温，甚至温度会达到1.5亿度。似乎这还不够,逃逸电子在目前正在开发的核聚变反应堆内肆虐，造成严重破坏。在有前途的反应堆托卡马克(okamak)类型内,不必要的电场可能危及整个过程。具有极高能量的电子可以突然加快速度，达到如此之高,以至于足以破坏反应堆的墙壁。但是，博士研究生琳妮·赫斯洛（Linnea Hesslow）和欧拉·恩布勒斯（Ola Embreus）已经成功地对于这些逃逸的电子进行了识别与减速。连同他们的导师藤德·菲勒普（Tünde Fülöp）一起从事研究，藤德·菲勒普是瑞典查尔姆斯理工大学物理系的一位教授。他们的研究结果已经能够表明,可以通过注入所谓的气体形式或颗粒形式的重离子，即可有效地减速逃逸电子。例如,氖气或者氩气就可以用作逃逸电子减速的“刹车”。

当电子与具有高电荷的离子核碰撞时,电子遇到阻力，速度就会减慢。多次碰撞可使其速度可控,使聚合过程继续。用数学描述和等离子体模拟,可以预测电子的能量以及它在不同条件下是如何变化的。

琳妮·赫斯洛说：“当我们可以有效地减速失控电子时,我们就已经向功能性聚变反应堆接近了一步。考虑到有那么一些选项，是以可持续的方式来解决世界不断增长的能源需求,聚变能非常令人兴奋,因为它耗用的燃料是来自普通的海水。”

琳妮·赫斯洛和她的同事2017年6月20日有篇文章发表在著名期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）网站——L. Hesslow, O. Embréus, A. Stahl, T. C. DuBois, G. Papp, S. L. Newton, T. Fülöp. Effect of Partially Screened Nuclei on Fast-Electron Dynamics. Physical Review Letters, 2017, 118(25)，255001. Published 20 June 2017. DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.255001.此文一发表就吸引了相关研究领域行家的极大关注。在很短的时间内,24岁的琳妮·赫斯洛和25岁的欧拉·恩布勒斯已经在许多国际会议上进行了讲演，介绍情况。包括在美国马里兰州安纳波利斯市举行的持久而负有盛名的舍伍德聚合理论会议（Sherwood Fusion Theory Conference in Annapolis, Maryland, USA）,他们是唯一来自欧洲的大会发言人。尽管在舍伍德（Sherwood）2017年会上，逃逸电子的报告有好几个，但是他们的报告确实引起不少关注。

藤德·菲勒普教授说：“对此项研究的兴趣盛浓，因为相关知识在未来大规模的实验中会派上用场,也为解决某些难题提供了希望。我们期望此项研究对未来产生巨大影响。”

尽管在核聚变能源研究方面，过去的50年内已经取得了长足发展,但是目前仍然尚未有商业化核聚变发电厂问世。此时,所有的目光都聚集在法国南部与国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，缩写为ITER）有关的国际科研合作上。ITER是规划建设中的一个为验证全尺寸可控核聚变技术的可行性而设计的国际托卡马克（okamak）试验。它的原理类似太阳发光发热，即在上亿摄氏度的超高温条件下，利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出核能。核聚变燃料氘和氚可以从海水中提取，核聚变反应不产生温室气体（CO₂）及核废料。“iter”在拉丁文中意为“道路”，因此这个实验的缩写“ITER”也意味着和平利用核聚变能源之路。

ITER将使用环形加速器产生温度超过10亿摄氏度的氢等离子体，它将产生大约5亿瓦（5×10⁸ W）的核聚变能量，维持大约500 s。相比较而言欧洲联合环形加速器（Joint European Torus，JET）的纪录不过是1600万瓦（1.6×10⁷ W）维持了不到1 s。ITER将不会（直接）产生电力。

ITER首个实验堆高度为24 m，直径30 m，计划产生等离子体的体积为840 m³，维持时间为400 s，聚变能500兆瓦(500 MW)，输出与输入能量比最低为10⁚1，最高可达到30⁚1。据专家介绍，这一计划是在业已取得的大量研究成果基础上制定的，成功的可能性非常大。该项目成为人类有史以来继国际空间站之后第二昂贵的国际科学合作项目。国际热核聚变实验堆利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出巨大能量，从而为人类提供可持续发展的洁净能源。与其他能源相比，核聚变的原料取自海水，可以说是无穷无尽，同时它还不会产生二氧化碳等温室气体，对环境也几乎没有放射性危害。石油、天然气和煤等化石能源正逐渐枯竭，而人类正在使用的核裂变能以及水能、风能、太阳能和生物能等可再生能源也具有自身的局限性，国际热核聚变实验堆则尝试解决人类能源危机。

但是，国际热核聚变实验反应堆也有一些难点：其一就是实现“受控热核聚变”首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体，使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是，超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束，使之不飞散的，因此必须寻求某种途径，防止高温等离子体逃逸或飞散。“磁约束”这一技术——用磁场把氘和氚原子核局限在一个小区域，以保证足够的密度互相碰撞。

难点之二是对不同设计出的“磁笼”中等离子体运动行为及防止逃逸的稳定性研究，成为实现受控热核聚变的第二个难点。如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行，上亿度的高温必须能长时间维持。或者可以说，等离子体的能量损失率必须比较小。

第三个难点就是提高磁笼约束等离子体能量的能力，这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除此之外，建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。

琳妮·赫斯洛等人的研究结果有助于解决上述第一个难点。琳妮·赫斯洛说：“许多人认为它(他们的研究结果)会起作用,而且要比前往火星实现融合更容易一些。你可以说我们在地球上正在努力收获恒星,这可能需要时间。它需要极高的温度,甚至比太阳中心温度还高,对于我们来说就是在地球上成功地实现聚合。这就是为什么我希望此项研究能够为解决当代的能源问题给出所需的解决方案的原因所在。”

事实:核聚变能与失控电子

核聚变能发生的条件是轻原子核在高压和超高温（约1.5亿摄氏度的高温）下聚合。能量的释放方式是与太阳一样的,这个过程也可以被称为氢能源。核聚变能是比核能更安全的选择,因为核能是基于重原子的分裂(裂变)而释放能量。如果聚变反应堆内出现错误,整个过程会停止,温度不会升高反而会变得越来越低。与核事故不同,对周围环境不存在影响风险。

聚变反应堆中的燃料重量不超过一张邮票的重量,而且原材料是来自普通的海水。

到目前为止,融合反应堆的输入能量仍然大于输出能量，解决这种入不敷出的局面就是与所谓的失控电子有关的问题。防止失控电子损伤的最常见方法是注入重离子,如氩或者氖,由于它们携带更多的电荷其作用就像刹车一样，使失控电子的速度降下来。由瑞典查尔莫斯理工大学物理系的研究人员与德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所的研究人员合作开发的一种新模型，描述了失控电子被减速了多少,为使这些失控电子无害化铺平了道路，这无疑使人类朝着可控核聚变技术应用的方向向前又迈出了一步。更多信息请浏览原文或者Small-scale nuclear fusion may be a new energy source

ABSTRACT

We analyze the dynamics of fast electrons in plasmas containing partially ionized impurity atoms, where the screening effect of bound electrons must be included. We derive analytical expressions for the deflection and slowing-down frequencies, and show that they are increased significantly compared to the results obtained with complete screening, already at subrelativistic electron energies. Furthermore, we show that the modifications to the deflection and slowing down frequencies are of equal importance in describing the runaway current evolution. Our results greatly affect fast-electron dynamics and have important implications, e.g., for the efficacy of mitigation strategies for runaway electrons in tokamak devices, and energy loss during relativistic breakdown in atmospheric discharges.