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核聚变是能源吗?

发布时间:2019-06-26浏览次数:329

近日在科技部举办的中国加入ITER计划十周年纪念活动上,科学家就"核聚变是能源的美好未来吗"等话题进行了探讨。

原子核中蕴藏巨大的能量,从一种原子核变为另外一种原子核往往伴随着能量的释放。核聚变能是两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核时释放的能量,聚变的主要燃料是氢的同位素——氘和氚。

太阳发光发热的原理正是核聚变反应。中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆说,太阳的中心温度极高,气压达到3000多亿个大气压,在这样的高温高压条件下,氢原子的两个"同胞兄弟"——氘和氚聚变成氦原子核,并放出大量能量。"太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置,几十亿年向外辐射能量。"

核聚变应用前景广阔。首先,核聚变原料十分丰富。据测算,每升海水中含有0.03克氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。因此仅在海水中就有超过45万亿吨氘,释放的能量足够人类使用上亿年。其次,核聚变反应过程不产生污染环境的硫、氮氧化物,不释放温室效应气体。此外,聚变堆的安全性还非常高。

科学家设想,如果发明一种装置,能够控制氘和氚聚变,并稳定持续输出能量,那就相当于人造了一个"太阳"。专家认为,如果在民用上能实现可控,将彻底改写人类的能源版图。

罗德隆说,实现受控热核聚变反应至少要满足两个苛刻条件。,极高的温度。氘核与氚核间发生聚变反应时,温度须达到5000万摄氏度以上。这种在极高温度下才能发生的聚变核反应也称热核反应。在如此高温下,物质已全部电离,形成高温等离子体。第二,充分的约束。即将高温等离子体维持相对足够长的时间,以便充分地发生聚变反应,释放出足够多的能量。

磁约束核聚变方式在实验室条件下已接近于成功

实现受控热核聚变,首要问题是用什么方法以及如何加热气体?因为等离子体温度需要上升到几千万甚至上亿摄氏度,而能装下这么热的气体同时又不让它逃逸的容器,目前还没有找到。有没有什么方法,在把气体加热成高温等离子体时又不让其逃逸或飞散呢?

磁约束的概念由苏联科学家在50年代初提出,并于1954年建成了个磁约束装置。科学家将这一形如面包圈的环形容器命名为"托卡马克"。

"等离子体就被约束在这个'磁笼'中,像一个中空的面包圈。通过一种特殊的装置,目前已经可以把氘氚的聚变燃料加热到四五亿摄氏度,然后在高温下发生大量的聚变反应。磁约束核聚变又称为托卡马克方法。"罗德隆说。

研究可受控聚变,是人类漫长的"夸父逐日"。据了解,截至目前托卡马克装置都是脉冲式的,等离子体约束时间很短,大多以毫秒计算,个别可达到分钟级。因此,还没有一台托卡马克装置能够实现长时间的稳态运行。

在核聚变领域,我国与国际上基本同步,某些方面甚至

我国磁约束核聚变研究历史,可追溯至五六十年代。

据悉,中国已先后建成并升级改造了中国环流器二号A和"东方超环"(EAST),用于研究等离子体的稳态和先进运行,探索实现聚变能源的工程、物理问题。前者是我国带偏滤器的大型托卡马克聚变研究装置,后者是世界首台全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置。EAST的建成使我国成为世界上少数几个拥有该类型超导托卡马克装置的。

罗德隆说,在大力推进自身托卡马克装置研制和实验的同时,我国也积极参与、推动国际热核聚变实验堆ITER计划。

2013年8月,我国研制生产出大电流高温超导直流电缆,这是向国际热核聚变实验堆供货的超导电缆;2016年4月,中国承担生产和设计的超大部件——脉冲高压变电站首台主变压器,运往ITER设施的建造地法国;2016年12月,由中核集团西南物理研究院自主研发制造的国际热核聚变核心部件——超热负荷壁原型件在国际上率先通过权威机构认证。

罗德隆说,参与建设ITER的同时,我国也在运用全新的技术和材料去设计下一代大型装置,目前正在对中国聚变工程实验堆开展前期研究。

ITER计划早在上世纪80年代提出, 1988年由美国、苏联、欧洲共同体和日本共同启动。经过13年的共同努力,耗资约15亿美元,在1991年完成概念设计的基础上,1998年,4方完成了工程设计及部分技术预研。同年美国因国内政策调整而退出ITER计划,其余三方继续合作对原工程设计进一步修改完善,于2001年7月完成了ITER工程设计、终报告及主要部件的研制。

ITER计划的目标是在法国共同建造一个超导托卡马克型聚变试验堆。总共分为建造、运行、去活化、退役4个阶段。根据ITER计划的部署,2007年至2025年为建造阶段;2026年至2037年为运行阶段;2037年至2042年为去活化阶段。作为世界上个大型托卡马克聚变试验堆,ITER工程体量巨大。目前在法国南部卡达拉什附近建造的ITER托卡马克装置将有10层楼高,保护极低温部件的道屏障外杜瓦尺寸相当于天坛祈年殿。磁体系统共包括18个环向场线圈,其中一个线圈的重量就与波音747相当。而一个内真空室重量比法国埃菲尔铁塔还重。整个装置目前仍处在工程建设阶段,预计在2050年左右实现核聚变能商业应用。