能源利用

您当前的位置: 首页  >  探索发现  >  能源利用
21世纪,“夸父逐日”的故事仍在继续……
发布时间:2019-09-02     作者:   来源:科普中国   分享到:

去年年底,我国“人造太阳”获重大突破,EAST装置实现了一亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破,获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需的物理条件。坐标安徽中科院物质科学研究院的“人造太阳”项目沉寂多日,再次强势回归大众视野。正如外媒报道所说,中国正一步步迈向人类最狂野的能源梦想。

“人造太阳”有着和恒星太阳相同的核聚变原理。核聚变是指在一定条件下,质量较轻的原子核发生聚合生成质量较重的原子核,这一过程又称为热核反应。

我们已经很好地掌握了核裂变,为什么还有如此坚定执着地追逐核聚变的脚步?其实,虽然裂变技术相对简单,但其燃料往往很难获得(例如铀等锕系元素一般产生于中子星合并过程,因此储量十分有限。)此外,裂变产物中往往存在着大量的长半衰期放射性物质,因此核废料需要特殊处理以避免放射性污染。这些问题都限制了裂变堆的潜力。而与核裂变有着相反核反应形式的核聚变却有着两大好处:不仅燃料量大管饱,还干净卫生。

地球上聚变燃料的储量非常大。用爱因斯坦的公式计算,一升海水可提炼出1/6克的氘,而地球上的海水所能提炼出来的氘可以让一千个聚变电站使用上百亿年。至于氚,虽然少,实际聚变过程中却并不被净消耗,而是以类似催化剂的形式循环利用。而且,聚变的产物基本上是稳定的同位素,无辐射污染。少量的中子辐照带来的活化也很好处理,基本上可以认为是一种无污染的能源。

然而,在人们惊喜于核聚变能带来的种种好处时,我们必须意识到更重要的一点:这些好处的实现需要可控核聚变作为前提。人类早已实现非可控聚变,那两枚投向日本的原子弹为人类带来的并不是福音,而是那声令人沉思的深深叹息。非可控聚变就像雷电一样,如此巨大的能量只能破坏而不能利用实在可惜。

目前,可控核聚变理论模型主要有三种:重力约束、惯性约束、磁约束。而国际上主流研究方向则是磁约束。磁约束利用强磁场约束带电粒子,大幅度地减小带电粒子横越磁力线扩散和导热的特性,使处在磁场中的高温等离子体的芯部与容器的器壁隔离开,构造反应腔,从而实现将聚变材料加热至数亿摄氏度高温的技术要求,进行聚变反应。

目前性能最好的一种磁约束装置便是托卡马克装置tokamak,俄文原意为“环流器”,它的名字来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka),而这个了不起的“面包圈”的组成正如名字所包含的那样,主要包括磁体(环向场磁体及极向场磁体)、真空室及其抽气系统、供电系统,以及控制系统(装置控制和等离子体控制)、加热与电流驱动系统(中性束和微波)、喷气及弹丸注入系统、偏滤器及孔阑、诊断和数据采集与处理系统、包层系统、氚系统、辐射防护系统、遥控操作与维修系统等部件(子系统)。

我国的EAST装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)全称为“全超导托卡马克核聚变实验装置”,是中科院等离子体所自主设计研制的磁约束核聚变装置, 2017年达成101.2 秒稳态长脉冲高约束等离子体运行记录,2018年达成1亿摄氏度等离子放电运行成就。

【我们尊重原创,也注重分享。版权原作者所有,如有侵犯您的权益请及时联系,我们将第一时间删除。分享内容不代表本网观点,仅供参考。】