高丽国在“超导托卡马”中贯彻了核聚变一亿度

2019-08-28 作者:凤凰彩票登陆   |   浏览(186)

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按目前世界能量的消耗率估计, 地球上蕴藏的核聚变能可用100亿年以上。因此从原理上讲, 聚变能可以成为人类取之不尽、用之不竭的能源。实际情况真的如此吗?人类离可控核聚变还有多远?《科学通报》2016年第10期发表中国原子能研究院研究员陈永静撰写的“核聚变将最终成为未来的能源吗?”一文,介绍了核聚变基础知识和可控核聚变的发展及现状。

理论计算表明,地球上氘的总量足够人类用上几百亿年。 要知道太阳还剩下的寿命也就50亿年而已,这个资源储量,是真正意义上的“足够用到地老天荒”。“可控核聚变”实现的五大难题

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聚变能要成为人类可大规模利用的能源, 除了技术可行性和安全性之外, 还需要把成本控制得足够低才有竞争力。 因此核聚变是否能成为人类能源需求的终极供应者, 目前似乎还无法给出肯定的答案。ITER自2010年开始建造以来, 由于各种技术、合同及资金问题, 该项目的进展一再推迟。现在ITER组织希望在2020年开始实验, 2027年开始注入氘和氚燃料, 而氘和氚燃料的实验需要进行约10年之久, 之后才有可能进行示范堆及商业堆的建造。因此人类掌握核聚变之路依然漫长。

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可控核聚变的优势:

目前人类还没有掌握控制聚变过程的技术, 为此世界发达国家不断投入大量的人力、物力和财力进行核聚变能研究和开发。 然而, 可控核聚变的实现在工程上是非常困难的事情。 可控聚变反应和可控裂变反应的研究都是从20世纪50年代初开始的, 时至今日, 核裂变反应堆或发电厂早已普及, 而可控核聚变的和平利用却无一实现。由欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方共同参与的, 为期30年, 耗资100亿欧元的国际热核聚变实验堆(international thermonuclear experimental reactor, ITER,图1)计划, 至今尚未取得获取聚变能的实质性成果。

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众所周知, 核能主要有裂变能和聚变能两种。裂变能是重元素(如铀、钚、钍等)的原子核在分裂成质量较轻的原子核过程中所释放的能量。人类已经掌握了可以控制这个分裂过程的技术, 因此目前世界上所有核电站都是利用可控裂变过程产生的裂变能进行发电的。 其优点是少量原料就可产生巨大的电能、环境污染少且不存在对石化燃料的依赖。缺点是总是存在发生核事故的风险, 所产生的核废料有放射性, 处置不当对环境会造成污染; 同时铀、钚等资源有限。 目前全球已建成以原子核裂变能量发电的核电站达到400多座, 核电发电量已占电力总发电量的近20%, 同时, 许多核电厂仍正在或计划建设中。核聚变是指由质量小的原子核, 主要是指氘(D)、氚(T)和氦-3(3He)等, 在一定条件下(如超高温和高压)发生原子核相互聚合作用, 生成新的质量更重的原子核, 并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。

初步成果

其一,掌握可控核聚变就意味着人类有着可以利用到“海枯石烂”的的能源。对于探索宇宙来说能源必定成为前进路上的一座大山,因此掌握这项技术能源这座大山就不复存在。

图2 常见的几个聚变反应截面

跟现在核电站使用的核裂变燃料相比,核聚变使用的是氢的一种同位素:氘,十来克就能满足全人类一年的电力需求,而且大海里到处都是。

中国“人造太阳”EAST物理实验获重大突破,实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电,标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列,

图1“国际热核聚变实验堆”(ITER)计划(图片来源于网络)

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现在我们都知道核电站,但是核电站发电方式都来自于核裂变

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5,小型化,在可控核聚变还没弄出来就谈小型化有点不切实际了。但这也是必走的一步。 上面说的是携带能量单元,只适合中短程宇宙探索。如果要长距离呢?那就把聚变反应堆建在飞船上,只需携带氘就行了,一克氘聚变可产生10的8次方量级的能量,大型飞船上带10吨几乎可以用之不竭了。现在火箭携带的燃料都是数十吨上百吨的,所以携带上百吨氘是没有技术问题的。

美国麻省理工学院的研究人员目前成功在核聚变反应堆中实现了2.05个大气压的突破

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“可控核聚变”实现的意义

是否继续发展核电,法国表示,保证核能发电比例将有助于法国实现对《京都议定书》的承诺,核能发电几乎不产生影响气候变化的温室气体。遏制温室效应有着得天独厚的优势。但是这些能源利用都来于核裂变,在核废料处理、和成本安全上都有很大得弊端,因此可控核聚变就成为了科学家理想的能源利用方式。

图2显示的是几个聚变反应的反应几率(以截面为单位)随入射粒子能量(以千电子伏特为单位)的关系。可以看出, 氘-氚聚变是最容易实现的, 也是以目前的技术水平来说最现实的选择。即便这样, 要实现聚变过程, 也需要把氘-氚混合气体(等离子体)的温度加热到上亿度, 并维持一定的等离子体密度足够的时间。但要维持这样高的温度, 靠普通的容器约束是无法进行的, 因此必须采用新方法。几十年来对核聚变的研究, 主要沿着磁约束和惯性约束两大途径进行。

总结:可控核聚变要实现能量高效利用必须要实现储能革命 电网升级 人类不毁灭于战争 动力革命 反应堆小型化。做不到这几点,可控核聚变就是遥遥无期的一件事,对此,您有什么不同的意见吗?欢迎大家理性讨论。

世界上核能源利用最多的国家是法国,根据国际能源机构统计数据,法国2001年的核能发电量占全国当年发电总量的76%,核能发电比例位居全球第一。但是在体量上和核能发电用量来看美国排列第一位,紧随其后的是日本的核能源利用!

相比核裂变, 核聚变有两大优点: (1) 不会产生长寿命和高放射性的核废料, 也不产生温室气体, 因此基本不污染环境; (2) 地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据估算, 每升海水中含有0.03 g氘, 所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1 L海水中所含的氘, 经过核聚变可提供相当于300 L汽油燃烧后释放出的能量。按目前世界能量的消耗率估计, 地球上蕴藏的核聚变能可用100亿年以上。因此从原理上讲, 聚变能可以成为人类取之不尽、用之不竭的能源。

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目前核裂变能源利用情况:

以目前人类的技术水平, 只能实现基于氘-氚聚变的第一代聚变堆建设。虽然地球上的氘资源是“无限”的, 但是却没有氚资源, 因此氚是靠中子与锂-6(6Li)反应生产出来的, 这就涉及了锂资源的问题。 此外, 产氚需要中子, 为了使聚变能够持续进行, 需要聚变堆在运行的同时, 不断地生产足够的氚, 用于补充反应掉的氚, 即需要一整套复杂的氚产生及在线处理系统。这不仅要求充分利用氘-氚反应产生的中子, 还需要对中子进行增殖,以保证有足够的氚增殖系数。因此, 聚变堆需要用到大量的中子增殖材料, 如铍、铅等, 但是这些资源并不是无限的。Bradshaw等人曾对这些因素进行过研究, 他们假设到2050年, 人类的用电量比2007年翻一番, 其中聚变堆发电量占30%, 则需要2760个1 GWe的聚变电站。这样每年需消耗806 t的锂-6, 初始装料至少需要9940 t, 已知的现有锂资源可维持3540年。 对于铍的用量, 每年消耗524 t, 初始装料需331000 t, 而目前已知的铍储量只有约80000 t, 即现有的铍储量已经不够这么多电站的初始装料。如果用铅作为中子增殖剂, 则情况会好很多, 每年消耗约8560 t, 初始装料为11.3 Mt, 目前的储量可以维持175000年。以上这些资源的估算只考虑聚变电站的使用, 没有考虑这些资源别的用途, 也没有考虑这些资源开采的难度和成本。

什么是“可控核聚变”

大多数人对核聚变基本知识实在刘慈欣《三体》作品中有所了解的,大多数科学家认为可控核聚变是人类探索太空绕不来的技术,因为可控核聚变优势太多了。

磁约束是利用强磁场对高温等离子体进行约束,通过构造特殊的磁容器, 将聚变材料加热至数亿摄氏度并维持一定的等离子体密度, 实现聚变。这一技术方向的聚变能研究已经取得了重大进展, 其中以托克马克类型的磁约束研究为典型代表, 达到了建立像ITER这样的实验堆的阶段。

1,储能,典型的就是超级电容或者电池。聚变产生的能量要全面实现利用绝不是仅仅拿来照明的,而是要给你开车、飞船飞行等等,这都需要储存能量,储存高密度的能量。如果电池革命到来,以后手机可能冲一次电是使用终身的,你拿到的新手机极有可能不配充电器了,手机价格可能不按内存大小定价,而是看给你充了多少电。汽车冲一次电开一年想想什么感觉? 从某种意义上讲,储能革命更能改变未来的生活。

目前来看可控核聚变是人类实现星际旅行绕不开的一座大山,翻过去就会拨云见日,星际航行才有可能成为现实。

来源:科学通报 编辑:yangfz

4,动力,现在火箭是靠工质引擎喷射实现反推提供动力的,用的还是能量密度低的化学键能。如果要全面利用聚变能量还需要一场动力革命,不然这巨大的能量在很多场景下都派不上用场。 火箭烧电能飞上天的唯一可行的办法就是操控重力了,这似乎比可控核聚变更加遥远,但这是必走的一步,不然人类获得如此巨大的能量压根对探索星辰大海一点用处都没有。 如果储能革命 动力革命都实现了,试想,宇宙飞船不用携带笨重的化学燃料(现在的火箭做得越重就要携带越多的燃料,燃料越多又让火箭更加重,然后就需要更多燃料。一枚火箭有一大半的重量都是燃料,注定无法实现星际旅行)就能飞上天,并远航是多么美妙的事?携带一吨重的储能单元就能飞上100年并不是梦想。

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惯性约束与磁约束不同。惯性约束实际上对等离子体不加约束, 而是利用粒子的惯性, 在它们来不及散开之前就发生聚变反应, 以取得足够的能量。国际上包括美国、法国、中国等在内的国家都在这方面开展了许多工作。但是美国的国家点火装置(National Ignition Facility, NIF)目前没有达到预期的点火目标, 一定程度上影响了人们对这一途径的信心, 而离建造能够发电的电厂则有更遥远的路要走。

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2005年正式确定的国际合作项目,这个项目从1985年开始,由苏联、美国、日本和欧共同提出,目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。目前中国也参与其中。

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日前,美国普林斯顿等离子体物理实验室的科学家研发出了一种新的技术,用于减少聚变反应中等离子体的不稳定性。科学家们采用了一种新的技术,那就是涟漪扰动法,就像是水波的涟漪一样。

目前可控核聚变的发展:

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核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了50亿年。可控核聚变俗称人造太阳,因为太阳的原理就是核聚变反应。(核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射,不产生核废料,当然也不产生温室气体,基本不污染环境)人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置,可以有效控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定的输出。

韩国不久前宣布在“超导托卡马”等离子体内实现了可控核聚变一亿度的温度,这也是世界第一次在此装置下实现这一温度,“超导托卡马”被科学家认为是最有可能实现可控核聚变的方法。可控核聚变是解决未来能源短缺的方法,因此各国都在通过各种方法研究核聚变的可行性方式。

值得关注的是, Science于2015年8月24日报道了位于美国加州的聚变能研究公司Tri Alpha最近取得了可控聚变的新突破,有望在ITER采用的大型托克马克装置之外为可控核聚变能利用找到更为经济的技术路线。 他们使用的聚变燃料是氢-硼等离子体, 达到聚变的温度需要30亿摄氏度, 这意味着更加困难的技术挑战。之所以选择氢-硼作为聚变燃料是因为其聚变反应中不会释放中子, 而只产生3个α粒子, 更适用于聚变能的商业利用, 这也是公司命名为Tri Alpha的原因。虽然很多人对这一成果质疑, 但依然获得了美国学术界及企业界的广泛关注。

涟漪扰动法学名为共振磁扰动,这是通过的小磁波来扰乱等离子体。这种波动可以扭曲等离子体的方向,减轻等离子体对装置的破坏。在最极端的情况下,这种扰动可能会导致终止等离子体对装置的严重破坏。就这样,涟漪扰动法可以大幅度提高可控核聚变的持续时长。

其二:聚变能源可以说是一种高效安全可控的绿色能源,因为太阳的原理就是核聚变反应。(核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射,不产生核废料,当然也不产生温室气体,基本不污染环境)

2,电网,这是一个漫长的过程,几乎每个国家都要对现有电网进行升级,工程量庞大且耗时耗力。以前田地干旱,现在水来了,水渠没挖好也是个问题。

3,对国际社会的影响,确切的说这不是技术问题。现有国际秩序很大程度是建立在能源之上的,能源革命必然造成国际秩序重新洗牌,这对人类是一个考验,其中包括大规模战争。 可能这项技术被少数国家把持,出现核能版的沙特阿拉伯,而且比石油版的更硬气,因为核反应比开采石油简单多了,难是难在技术创生期。

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