「原理篇」核電未來焦點：稠密等離子焦點是如何工作的

LLP核聚變公司已經在創紀錄的28億℃高溫下產生了低成本的核聚變反應。他們是如何做到這一點的。

在本系列的第一部分，筆者已向讀者介紹了

一種很有前途的核聚變創新方法，它利用一種被稱為稠密等離子體焦點（

DPF

）的小型廉價裝置。

第一部分：“核能領域”最熱門理念：稠密等離子焦點，一種廉價的核聚變方式

由等離子體物理學家埃裡克·勒納（Eric Lerner）創立的LLP Fusion公司

已經成功地利用

DPF

產生了大量的核聚變反應和創紀錄的

28

億℃高溫

。在許多方面，勒納（Lerner）的裝置可以與成本高達百倍的核聚變實驗相媲美。

那麼，這是怎麼實現的呢？

是時候解釋一下埃裡克·勒納（

Eric Lerner

）的

DPF

裝置的工作原理了。

（感興趣的讀者可以在LLPFusion網站上找到更多資訊。筆者也將會在後續介紹Eric Lerner裝置的影片演示）

稠密等離子體焦點

的物理原理：在理論上已經被很好地理解，並且自20世紀70年代以來已經在無數實驗中得到了證明。

實驗揭示了

DPF

放電現象中驚人的複雜現象，其特徵是自組織和高能量密度結構的形成。

埃裡克·勒納（

Eric Lerner

）使用的

DPF

具體設計——由一對

10

釐米長的同心

鈹

電極組成，安裝在低壓下充滿氣體燃料的室內。

外電極（即陰極），其外部半徑為5釐米。內電極（即陽極），是一個半徑為2。8釐米的空心圓柱體。

完整影片：

「原理篇」新核能革命：聚焦核聚變，是如何工作的？

電極元件——LLP Fusion的稠密等離子聚焦裝置的核心。由LLPFusion提供

電極透過一個快速開關與一組電容器相連，電容器的電壓（通常）高達

40,000

伏特。

當開關閉合時，電容器會向電極傳送一個強大的電脈衝，使電極之間形成一個

環形火花放電

。在其峰值時，有超過100萬安培的電流流過這個裝置。

這個 “火花 ”到底是什麼？

將電容器組與電極連線起來，就會在它們之間的空間產生一個強烈的電場。

在氣體中，恰好沒有與原子核結合在一起的少量電子，在巨大的力的作用下被加速向陽極方向移動，在沿途的過程中與原子碰撞，使更多的電子獲得自由。

失去電子的原子成為帶正電荷的離子，並加速向陰極移動，在移動過程中與其他原子發生碰撞。

有些原子還與電極相撞，釋放出更多粒子（主要是陰極的電子）。

隨之而來的是一場“雪崩”，越來越多的電子被從原子中撞出，產生越來越多的自由電子和離子以及更多的碰撞。

氣體迅速轉變為由自由移動的電子和離子，並組成高溫、高能介質。

這種介質就是物理學家所說的

"

等離子體

"

——有時被稱為

"

物質的第四種狀態

"

。

實際上，宇宙中大多數物質都是以等離子態存在的。

現在，有趣的事情開始了。

電子流到陽極，離子流到陰極，構成了電流。電流會產生磁場。

磁場作用於電子和離子，進而改變電流的模式。

完整影片：

「裝置原理」聚焦核聚變：直接將核能轉化為電能

箍縮效應（The pinch effect）

這時，一種眾所周知的物理機制——“箍縮效應”（

The pinch effect

）開始發揮作用。“

箍縮效應”是DPF集中能量的關鍵機制。

簡而言之，“箍縮效應”是指平行電流相互吸引的現象。

這種效應是電流產生的磁場的結果。

因此，攜帶強電流的等離子體將被 “擠壓”——壓縮——垂直於電流的方向。

完整影片：

神奇的物理效應：什麼是“箍縮效應”？

左圖：由新英格蘭大學的斯蒂芬·博西（Stephen Bosi）演示箍縮效應。完整的影片可以在這裡觀看。右圖：避雷針被閃電的夾擊效應壓碎。來源：Wikimedia commons

許多核聚變的方法都是利用“箍縮效應”——首先是所謂的磁約束核聚變裝置，其中

ITER

將是最大的。

但是，在所涉及的方法上有很大的不同。

“箍縮效應”往往會在等離子體中產生不穩定性。

但核聚變的主流方法，

如

ITER

，追求的策略是試圖抑制所有的不穩定性因素。

他們試圖保持等離子體儘可能的安靜和穩定。

其目標是達到一個穩定的狀態，並持續產生能量。

等離子體的不穩定性不僅不受歡迎，它們還可能對裝置造成嚴重的損害。

現在最大的區別是。與此相反，

DPF

利用不穩定性作為達到聚變條件的主要機制。

這種相反的理念是——為什麼在實現核聚變能的主線努力中，等離子體焦點往往被忽視的原因之一。

三步走的核聚變方法

稠密的等離子體焦點透過一系列階段達到了聚變的條件。

這個過程對人眼來說太快了——整個放電過程只持續約百萬分之二秒——但超高速攝像機和其他儀器可以記錄每一個階段。

第一階段：

“箍縮效應”使原本光滑的等離子體鞘，分裂成密集的電流絲陣列，在電極之間徑向執行。

這些細絲具有特徵性的渦流結構，等離子體物理學家溫斯頓·博斯蒂克（Winston Bostick）和維托里奧·納迪（Vittorio Nardi）早在20世紀70年代初就對這些細絲進行了詳細研究。

DPF

放電過程中產生的等離子體渦旋絲。

這些照片是用一臺曝光時間僅為5ns（ns=十億分之一秒）的增強型CCD相機拍攝的，顯示了在陰極葉片之間觀察到的等離子體鞘層沿著陽極（朝右上方）移動。它們顯示了電流開始流動後，鞘層從230-570納秒開始發展。細絲（從左下到右上）的半徑只有200微米。來源：Syed Hassan，LPPFusion。

第二階段：

電磁場迫使細絲沿著裝置的軸線快速移動

。當細絲到達電極的末端時，它們就會彎曲成類似噴泉的形狀，

細絲延伸到中空陽極的內部

。

在陽極內部，細絲之間的距離縮短。

當它們的電流流向相同的方向時，

“

箍縮效應“再次發揮作用，導致細絲相互吸引。它們合併在一起，形成一條狹窄的等離子體細絲。

第三階段：

此時，電磁相互作用導致被“箍縮”的絲線變得不穩定——即所謂的扭結不穩定。

細絲纏繞成螺旋狀。附近的線圈也相互吸引，同樣是由於箍縮效應。

最後，盤繞的長絲變得結實起來，形成一個緊密的結構，稱為

"

等離子體

"

。

等離子體的扭結不穩定性和形成的圖表，以及顯示等離子體區域的快速相機影象。由LPPFusion提供

勒納（

Lerner

）實驗的等離子非常小——直徑只有幾分之一毫米，相當於原來等離子體體積的百萬分之一。

放電的大部分能量現在都集中在這個微小的空間裡。

在這裡，等離子體被電流絲產生的超強磁場所限制和壓縮。在等離子體內部，快速移動的電子和離子的能量被轉化為熱量，產生了近

30

億度的溫度。

在這種溫度下，會發生大量的聚變反應。

核聚變的總輸出取決於溫度、燃料在質子中的密度和等離子體 “壽命 ”的長短等綜合因素。

在勒納（Lerner）的實驗中，等離子體只持續了約100億分之一秒的時間。

因此，現階段需要解決的主要問題是——儘可能地提高等離子體密度。

目前已經取得了很大的進展，但仍有相當長的路要走，筆者將在本系列的下一期和最後一期中看到。

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撰寫

：GolevkaTech

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