【核融合究竟快好了沒】
#ITER最新進度 #史上最大拼裝車
▋前行提要
核融合反應指兩個較輕的核種克服彼此之間的庫侖斥力、靠得足夠接近並融合成一顆新核種的過程。融合過程所損失的質量將轉換為龐大的能量(E=MC^2)。氘-氚核融合反應是核融合發電的最佳燃料,其無出其右的能量密度是極為理想的能量來源。數十年來,無數的研究人員和工程師都在探究如何駕馭這股能量。說說能源也曾經介紹過
https://reurl.cc/X69MG0
然而,要在地表上重現太陽內部的反應並非易事。地表上無法產生如太陽般的重力,科學家於是設計了一種能同時裝載燃料、外加強力磁場和升溫的裝置。這就是托卡馬克(Tokamak),俄語"具有磁線圈的環形裝置"的縮寫。托卡馬克形狀從黎明期的甜甜圈設計,演變成蘋果般的環狀設計或是扭結型甜甜圈。前者代表是國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER),後者代表是德國的Wendelstein 7-X 仿星器(Stellarator)。
一個托卡馬克通常包含以下重要系統組件:真空容器(Vacuum Vessel)、容器內壁護甲(Blanket)、偏濾器(Divertor)、超導磁鐵(Magnets)、低溫恆溫器(Cryostat)和偵測器(Diagnostics)。磁拘束設計會確保氣態燃料激發至電漿態(俗稱點燃(ignition))時漂浮在容器內而不會物理性接觸到容器內壁。而如何以最小能量點燃、維持電漿形狀、輸出能量最大化,則是電漿物理研究的核心議題。儘管高溫電漿的輸出能量已經能大於點燃電漿的所需能量(輸入能量),但達到實用化階段(輸出能量/輸入能量比例>=10)、且維持足夠長的時間仍是一個瓶頸。這個瓶頸即將由ITER突破。
ITER是個在國際核融合研究協議底下的巨型工程,建成後將會是世界上最大的磁約束電漿物理學實驗爐,爐子位於法國南部的卡達拉舍(Cadarache)附近。ITER的另一個工程目標是驗證大規模發電(無庸置疑的無碳排乾淨能源)的可行性。ITER預計製造超過攝氏10億度的氫電漿體,達成「輸出能量/輸入能量比例>=10」並產出約500 MW的核融合能量。
ITER將向世人證實核融合發電是個務實可行且非常安全的發電裝置,也會替未來世上的核融合電廠製造氚燃料。
▋ITER目前進度
2020年5月25日到27日三日間,約200名的工程團隊安裝了首個低溫恆溫器底座(cryostat base)(如附圖"The bottom cryostat")組件。這個低溫恆溫器底座--整個托卡馬克中單一最大也最重的組件--是底層構造的巨型金屬筒,將會承載反應爐其餘的零組件、諸如真空容器、巨型超導磁鐵和低溫恆溫系統,可說是ITER爐子的蓮花座。團隊會接著安裝低溫恆溫器的底部圓筒、來自南韓的真空容器組件、來自日本的環面磁線圈(toroidal field coils)和熱遮罩。建設團隊正戮力於讓主要組件於2021年底全數到位,以趕上2025年年底的完工期限。
然而就在2019年,COVID-19來襲。由於建造過程中、零組件必須在正確的時間送達施工現場,若強制中止將使佈及全球且數以百計的供應商和供應鏈分崩離析;故高層決定維持原建設步調,同時實施了一系列措施: 保持社交距離、洗手、戴口罩等。也讓約2000名白領員工改為遠端工作、現場員工數則從2500降為700名。
儘管如此,歐盟的真空容器組件的運送還是遭受了影響。機構長Bigot表示,目前每天最低開銷是一百萬歐元;他將於下個月和ITER委員會進行遠端視訊會議時就疫情相關事宜進行討論。屆時,他希望委員會會決定:追加預算以維持現步調,或是追加少一點的預算並展延一年。
▋技術困境
高能中子轟擊材料會導致材料劣化,這個特殊現象稱為輻射損傷。若輕水爐(沸水式)運行40年所產生的傷害是1,則商用核融合爐在整個服役週期內所產生的傷害將會是100左右。能抗輻射損傷、具低放射性、便宜又耐用的材料會是下一階段--DEMOnstration Power Station(DEMO,商用示範爐)--的主要挑戰。
ITER里程碑,來自於各個成員國家二三十年來的長期政策支持和各國科研人員的努力工作,ITER的所有技術果實自然也將由成員國間分享。儘管ITER計畫非我國國力能及,但是否該藉此反思一下,我國能源產業和科學研究是否存在任何十年期以上、且確切執行的長期政策呢? 還是每四年畫個大餅後無疾而終呢?
▋參考資料
ITER官網
https://www.iter.org
Science 訪談報導主要聚焦近期COVID19影響
https://reurl.cc/oLq2RM
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下文為上方引用Science Insider訪談ITER計畫的報導翻譯節錄
▋疫情中的ITER
過去兩天,約200名的團隊小心翼翼地吊起冷卻基座(cryostat base)--相當於棒球內野大小、重如巨型檜木的大型鋼鐵圓盤--並放入托卡馬克底座。這個冷卻基座--整個托卡馬克中單一最大也最重的組件--是底層構造的巨型金屬環,將會承載反應爐其餘的零組件、諸如真空容器、巨型超導磁鐵和冷卻系統。建設團隊正戮力於讓主要組件於2021年底全數到位,以趕上2025年年底的完工期限。
ITER有好長一段時間僅止於人們心中的概念設計。ITER最初於80年代被提起,後於2007年在法國正式變成跨國計畫。參與成員包括中國、歐盟、印度、日本、南韓、俄羅斯及美國。該計畫原定於2016年完工,但時程表在2016年時由新任機構長官General Bernard Bigot延後至2025年末(並追加了預算)。
然而在2019年建設進度接近70%時,COVID-19瘟疫來襲。由於建造過程涉及佈及全球且數以百計的供應商;後者被要求將零組件在正確的時間送達施工現場,若強制中止後再開將讓一切分崩離析。是故,和世界其他角落的科研設施不同,上層決定維持原建設步調,約2000名白領員工改為在家遠端工作,而現場員工則從2500降為700名。
理研偵測器 在 國立臺灣大學 National Taiwan University Facebook 的最佳解答
【臺灣大學將成為新型國際粒子實驗偵測器製造中心】
位於臺大天文數學大樓由科技部經費補助的臺灣矽基偵測器設施(Taiwan Silicon Detector Facility,TSiDF)已於2019年三月正式營運。臺灣研究團隊包含了臺灣大學、中央大學、中央研究院、清華大學及成功大學,由臺大物理系裴思達教授及呂榮祥教授、中大物理系郭家銘教授及中研院物理所侯書雲研究員共同領導。
這項設施包含具有視域功能的自動機械手臂,以及可編程的打線服務。此設施已由歐洲核物理研究中心的CMS 實驗指定為下一代粒子成像量熱器偵測器(此偵測器於2012年發現希格斯玻色子)之生產基地,將在此地製作5000個感測器模組。臺大學生及研究人員目前正與其他合作機構的學生和科學家一起製作第一台原型偵測器,而所有元件皆是由臺灣製造。
來自日本最大型的綜合研究機構之理化學研究所(RIKEN)、美國布魯克赫文國家研究所(BNL)及麻省理工學院(MIT)的20位的科學家,於3月26日參觀臺灣矽基偵測器設施。參觀完後他們表達強烈的期望,希望此設施能為布魯克赫文國家研究所(BNL)之sPHENIX實驗的追蹤裝置提供生產空間。
此計畫的發起人裴思達教授指出,替世界上一些最傑出的實驗團隊建造偵測器的核心元件且整個製程均在臺灣進行,這在臺灣是史無前例的。一直以來,我們與美國,英國,中國和印度等國家互相競爭,現在我們的技術與工藝水準就算沒有超越他們至少也與他們已站在同一水平。但最重要的是,有了這個矽基偵測器設施,我們在參與大型國際合作計畫時不再需要將我們所有的資源(人員與資金)都拿去用於海外的實驗室。我們可以將經費留在臺灣,利用臺灣的優秀人才及公司來研發及製成這些偵測器。如此,我們不但可以把技術及工作機會留在臺灣,甚至可以將這些技術用於開發新元件供工業界和醫學界使用。
* 如需了解進一步的資訊,請參閱網站
“Taiwan Silicon Detector Facility (TSiDF)”
https://hep1.phys.ntu.edu.tw/~paganis/index.html
#NTU #TSiDF
#臺大 #物理系 #理學院
理研偵測器 在 國立臺灣大學 National Taiwan University Facebook 的最佳貼文
【希格斯粒子與底夸克的交錯】
臺灣大學高能實驗室又一新里程碑
位於歐洲高能中心CERN的CMS (緊緻渺子線圈) 實驗今天(8/28)將新的發現投遞物理評論通訊,是希格斯粒子與標準模型粒子交互作用測量的又一里程碑。無論硬體建造或物理分析,臺大高能實驗室都深入參與了CMS實驗。
CERN大強子對撞機LHC的ATLAS與CMS實驗在2012年7月4日分別宣布發現希格斯粒子,造成全球轟動:在理論預測的半個世紀之後,確證了標準模型的最後一塊拼圖,同時也揭開了測定這新粒子性質的新階段實驗工作。在今年6月4日於物理評論通訊發表首次直接偵測希格斯粒子與標準模型最重粒子頂夸克的耦合作用之後未久,在CERN今天(8/28)的一場演講會中,CMS實驗組宣布了又一新里程碑。
在標準模型裡,希格斯粒子與費米子相耦合,其強度與費米子質量成正比。底夸克的質量不到希格斯粒子的一半,因此希格斯粒子可直接衰變到一對底夸克與反底夸克,其衰變速率與耦合強度的平方成正比。CMS以及ATLAS實驗組宣布的正是偵測到這樣的衰變,兩個實驗組都在今天(8/28)將實驗論文投出。
希格斯粒子所有可能衰變模式中,直接衰變到一對底夸克與反底夸克其實是最常見的,但要確認偵測到它,則是極大的實驗挑戰。這是因為有大到不行的許多其他標準模型過程 (稱為「背景」事例) 可產生底夸克–反底夸克對。因此,必須專注地搜尋特別的標記事件,譬如希格斯粒子與一向量玻子 (W或Z粒子,如圖所示) 的協同產生,才得以將背景壓的夠低。但因這樣的事例極少見,因此必須篩檢極大量的碰撞事件方能找出訊號。大強子對撞機在2016及2017年的優異表現,讓這發現得以實現。
CMS實驗組發言人喬爾•巴特勒說:「能早於預期的跨越這個里程碑,乃是CMS的科學家充分利用當代尖端分析工具,譬如機器學習技術,以及將前述標記與其他希格斯粒子有效過程組合分析的成果。偵測器的成功運作與可供分析的極大量數據自不在話下。」
臺大高能實驗室負責人侯維恕教授說:「臺大CMS團隊在2000年代與中央大學合力建造了前置量能器,在2010年代藉科技部學術攻頂計畫參與了更核心的像素偵測器第一階段升級製作,兩者在此次實驗成果均發揮功能,臺大也積極深入物理分析。臺大高能實驗室的物理研究一直圍繞和底夸克相關的B物理,臺大團隊藉科技部卓越領航計畫參與日本KEK高能實驗室Belle-II實驗也已開始運轉,預計明年重回B物理競爭前沿。」
在確證了希格斯粒子與底夸克之耦合後,加上早先已偵測到的頂夸克與濤輕子耦合,最重的三類費米子偵測以然到位,CMS實驗探索希格斯粒子性質又向前邁進一大步。雖然測得的耦合強度與標準模型相符,但因精確度仍有限,來自新物理源頭的貢獻仍是容許的。隨著將來數據量的增加,精確度也會改進,我們期盼探討希格斯粒子會否洩漏超越標準模型物理的天機。為此,CMS實驗正在積極推動偵測器第二階段升級計畫,臺大及中大高能實驗室在科技部及校方支持下也積極深入參與製作高粒度量能器。
#NTU #物理系 #臺大高能實驗室
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