美国著名军工企业洛克希德·马丁下面有一个大名鼎鼎的研发机构,叫臭鼬工厂(Shrunk Works)。这个其实是一个天才云集,人才辈出的实验室机构,专门研发一些前沿的武器技术,尤其是和航空有关的技术。比如U-2侦察机,SR-71黑鸟侦察机,F-117隐身轰炸机,F-22和F-35隐身战斗机,RQ-170无人机这些大家耳熟能详的飞机,就都是这个臭鼬工厂搞出来的。
臭鼬工厂虽然是以研究飞行器为主业,但是也并非全部工作都在飞行器上。近些年,洛马开始跨了好大一个界,玩起了可控核聚变。要知道此前这种项目都是一些从事基础科学研究的部门和实验室在研究,比如劳伦斯利福摩尔国家实验室的国家点火装置(National Ignition Facility),这也是人类历史上最大的激光器装置,厂房长达一公里。
国家点火装置NIF
臭鼬工厂的核聚变实验装置叫做Compact Fusion Reactor program, or CFR的项目,在原理上与惯性约束聚变的NIF不一样,它采用的是超导托卡马克这一技术路线,通过磁约束的将等离子体加热至上亿度,维持高温高压状态以引起核聚变的方式。但整个实验装置比起现有的托卡马克装置,比如位于合肥的中科院EAST和法国的IETR,体积小型化上有很大的突破,只有2米长1米宽;所以CFR项目实用程度很高,可以同时用于民用和军用场景。该装置计划可以提供100兆瓦的发电功率,可以为一个10万人的小型城市提供发电。据美国航空周刊采访证实,目前臭鼬工厂已经在7月份开始了T5实验装置的制造,此前从开始已经陆续制造了4个其他的实验装置。所以尽管进度按照最初的项目计划有所延迟,但是还是进展顺利的。实验项目分多步走,目前正在建设的是T5装置,将要在此装置上实现等离子体的加热和流动并进行一系列的观测和数据搜集。而未来还会有T6,T7,T8,TX,到TX实现具有一定鲁棒性和安全止损能力的实用化发电装置。
CFR的研制计划,可以看到T5之后还有T6、T7、TX,还远未达到实用化
CFR的实验装置,通过两个管注入中子,并在强大的磁场下约束增温变成等离子体
CFR实验装置,就这么大
美国80年代研制的TFTR,也是磁约束但体积巨大
按照CFR项目领头人托马斯·麦奎尔博士的说法,传统托卡马克装置拥有一个致命问题,就是磁环约束的等离子体量太少,也叫β限制;等离子产生的压力和磁场压力的比值,一般只有5%左右,如果注入等离子体太多,就会想自行车的车胎加多了气爆开那样,让整个装置失败。既然托卡马克装置磁场磁场利用率如此之低,究竟臭鼬工厂哪来的自信,敢把磁约束的聚变装置做的如此之小呢?
CFR其实是通过完全不同的方式解决等离子体限制来避免这些问题。独特设计的超导线圈将产生新的磁场几何结构,不是将等离子体约束在管状环内,而是让等离子体分布在更宽广的空间里——整个反应室。线圈内的超导磁体将在腔室的外边界周围产生磁场。 “因此,对于我们来说,我们不再将自行车轮胎扩展到空气中,而是更像是一种可以扩展到更强大的墙壁的管子,”麦奎尔博士说。系统由自调谐反馈机制调节,其中等离子体离越远,磁场将其推回原区域的能力就越强。预计CFR的β限制比率为1。 “我们应该能够达到100%或更高,”他补充说。
目前,全世界采用磁约束核聚变技术路线的,只有中国的EAST,法国的IETR,日本的JT-60SA,还有洛马的CFR。而采用激光照射的惯性约束核聚变,对激光器的制造工艺和输出功率要求极高,整个实验装置巨大而且复杂,难以维护,能达到入口条件的国家寥寥。倘若洛克希德·马丁臭鼬工厂的这一路线走得通,无疑是为托卡马克核聚变装置指明发展道路,将会为世界能源带来一场新的革命。