科学家用核聚变反应堆测试隔热罩材料，一天要花 50 万美元

11 月 16 日消息，目前世界上的核聚变反应堆都处于试验阶段。最近研究人员利用聚变反应堆内部的高温和等离子体来模拟木星大气环境，从而测试用于宇宙飞船上的隔热罩。

1995 年 12 月 7 日，美国国家航空航天局（NASA）一艘探测器进入木星大气层，并立即开始燃烧。这艘探测器是从 6 个月前开始绕轨道运行的伽利略号木星探测任务而来，深入木星的目标是对这颗太阳系最大行星周围的氢和氦进行取样。

这艘名为“木星大气探测器”(Jupiter Atmospheric Probe) 的航天器经过精心设计，外壳能够承受与木星空气接触摩擦时不断飙升的高温。其有一个巨大的碳材质隔热层，约占探测器总重量的 50%，设计目的是在探测器下降过程中通过不断磨损来散热。科学家曾在地球上仔细模拟过这个被称为消融的受控过程，NASA 甚至为此建设了一个名为巨行星设施的特殊测试实验室。

但是，当探测器以每小时近 20 万公里的速度穿过木星大气层时，摩擦将其周围的空气加热到 1.5 万摄氏度。在这种高温下，原子分裂成带电粒子，并产生一种所谓等离子体的炙热电浆。地球上的闪电或极光等自然现象都源自等离子体，太阳本身也是一个巨大的等离子体。其常常被称为物质的第四种状态，但实际上是第一种状态。在宇宙大爆炸后的瞬间，等离子体是唯一存在的物质。

等离子体吞噬木星探测器隔热罩的速度比 NASA 所预料的要快得多。NASA 工程师分析了嵌在隔热罩上的传感器数据后，他们意识到自己精心设计的模型偏离了目标。某些区域隔热罩的分解速度要快得多，而某些部分要慢。探测器能幸免于难的唯一原因是，工程师们在设计中加厚了隔热罩，为误差留出一定余地。“这个问题仍悬而未决，”奥本大学等离子体专家伊娃・科斯塔迪诺娃（Eva Kostadinova）说。“但如果你想设计新的任务，你必须能够正确模拟正在发生的东西。”

伽利略号木星探测任务结束后，科学家们利用探测器数据对消融模型进行了调整，但仍然面临一个大问题：要精确再现高速进入木星稠密大气的条件非常困难，因此很难对这些模型进行准确测试。这也为制造比目前所用碳基材料更轻更好的新隔热材料带来障碍。如果不能对新材料进行测试，就很难确定它们会在价值几十亿美元的宇宙飞船上起效。

往常的测试使用激光、等离子射流和高速射弹来模拟探测器进入大气层时的热量，但没有一个是完全正确的。科斯塔迪诺娃说：“地球上没有哪个航天设施能达到进入像木星大气层时所经历的那种高温条件。”

现在，科斯塔迪诺娃和来自加州大学圣地亚哥分校的迪米特里・奥尔洛夫（Dimitri Orlov）进行了一项新研究，展示用实验性核聚变反应堆内部的炙热高温测试航天器的隔热材料。

在世界各地资助的研究设施中，有几百个名为托卡马克的受控核聚变反应堆，其中包括位于英国的联合欧洲环形反应堆 (Joint European Torus），以及位于法国南部的国际热核实验反应堆 (ITER）。几十年来，研究人员一直在用它们来研究如何用核聚变提供实质上无限的能量。在托卡马克内部，高压下的强磁铁用于约束高速旋转的等离子体，使其达到原子聚变和释放能量所需的数千万度高温。一些批评者认为，核聚变注定无法实现，现在核聚变实验消耗的电力仍然多于产生的电力。

但科斯塔迪诺娃和奥尔洛夫对这些反应堆内的等离子体更感兴趣，他们意识到这可能是模拟宇宙飞船进入木星大气层的完美环境。奥尔洛夫学的是航空航天工程，目前在美国能源部位于圣地亚哥的 DIII-D 聚变反应堆工作。

两人合作利用 DIII-D 设备进行了一系列消融实验。他们利用托卡马克设备底部的一个端口，将一系列碳棒插入等离子体流中，并使用高速红外摄像机以及光谱仪来跟踪它们是如何分解的。奥尔洛夫和科斯塔迪诺娃还向反应堆高速发射微型碳质球，模拟伽利略号探测器在木星大气层中可能遇到的小范围热屏蔽。

托卡马克内部条件在等离子体温度、等离子体在物质表面流过的速度，甚至等离子体的具体组成方面都非常相似：木星大气的主要成分是氢和氦，DIII-D 聚变反应堆所使用的是氢的一种同位素氘。奥尔洛夫说：“我们不需要高速度发射物体，而是将一个静止物体放入速度非常快的流体中。”

这些实验在本月举行的美国物理学会 (American Physical Society）会议上公布，有助于验证 NASA 科学家利用伽利略号木星探测器数据开发的消融模型，也可以作为新型材料测试的概念验证。“我们正在开拓新的研究领域，”奥尔洛夫说。“以前没有人这样做过。”

“这是这个行业非常需要的东西。新材料测试程序往往滞后，”为宇宙飞船制造辐射屏蔽罩的初创公司 Cosmic Shielding 创始人雅尼・巴格蒂（Yanni Barghouty）说。“它可以让你更快、更便宜第开发原型，这是一个反馈体系。”

核聚变反应堆是否能成为实际应用的试验场还有待观察。毕竟这些核聚变装置完全是为另一个目的而设计的极其敏感设备。奥尔洛夫和科斯塔迪诺娃的研究利用托卡马克内置的端口来安全测试新材料，是诸多利用反应堆扩大科学知识的一部分，但成本高昂。他们在机器上的一天实验就花费了 50 万美元（约 319 万元人民币）。因此，这类实验只是为调整和改进计算机模型，未来也不会频繁进行。

通过进一步的实验，奥尔洛夫和科斯塔迪诺娃希望能够改进消融模型，并用于改进未来航天任务中的隔热罩设计。NASA 计划于本世纪末升空的金星探测任务 DAVINCI + 可能是第一个能用上改进设计的深空探测任务。DAVINCI + 由一个轨道器和一个下降探测器组成，当探测器穿过金星炎热厚重的大气层时，需要强大的屏蔽装置。伽利略号探测器带给科学家很多关于太阳系如何形成的知识，但如果有更好的隔热罩，还可以探测到更多信息。科斯塔迪诺娃说：“一半的有效载荷烧掉了。”“限制了真正能装进去的科学仪器数量。”

这项新研究不仅可以用于测试碳化硅等新隔热材料，也有助于优化聚变反应堆本身的设计。到目前为止，大多数研究都集中在托卡马克内部的核心等离子体反应上。但是，随着核聚变逐渐走向商业化，人们需要更多关注反应堆的建设和材料设计，有效控制核聚变反应并确保出现问题时安全耗散能量。

科斯塔迪诺娃和奥尔洛夫呼吁核聚变和太空研究机构之间进行更多的合作，这两个团体都对理解等离子体反应和开发能抵御等离子体侵蚀的物质有浓厚兴趣。科斯塔迪诺娃说：“未来方向是制造更好的材料和开发新材料。”

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