中國可控核聚變2020 核聚變,在地球上種太陽
發(fā)布時間:2020-04-05 來源: 感恩親情 點擊:
設想一下,如果我們突然擁有了取之不盡的高效清潔能源,那該是多么令人激動的事情。法國羅訥河口省卡達拉舍正在開工興建的ITER(國際熱核聚變實驗反應堆),可能就會幫助我們實現(xiàn)這個“世界和平”的夢想。
從裂變核能到聚變核能
核能我們并不陌生,原子彈、大亞灣核電站,以及日本地震時鬧得的沸沸揚揚的核危機,都是利用核裂變的能量,即通過把大質(zhì)量原子比如鈾核“打碎”來釋放能量,短時間集中釋放可以作為武器,緩慢釋放則可以用作和平的能源?上У氖牵肆炎兡茉葱孰m高,卻后患無窮,即使沒有地震威脅,產(chǎn)生的廢料也帶有強烈的放射性,在上萬年的時間內(nèi)都無法有效處理干凈。而且鈾礦資源也是有限的,無法支持人類社會長期發(fā)展。所以對核聚變能源的追求也就應運而生了。
核聚變,顧名思義與核裂變相反,就是把小質(zhì)量的兩個原子核合并成一個大質(zhì)量的原子核,在這個過程中獲得能量,而且這種能量效率比核裂變更高,也更清潔。實際上,我們每天接收到的太陽光,就來自于太陽內(nèi)部時刻在進行的核聚變反應。太陽以其巨大的質(zhì)量產(chǎn)生的引力,在核心處將原子核緊緊地壓在一起,處在極端的高溫高壓狀態(tài)(密度是水的150倍,溫度超過1000萬度,處于等離子體狀態(tài)),能夠通過一系列的核反應,將4個氫核變成一個氦核,這樣的反應在太陽核心每秒鐘要進行大約1038次,有426萬噸的質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為能量。
但在地球上,我們卻找不到這樣強大的“引力容器”來獲得高溫高壓的等離子體,而根據(jù)英國科學家勞森在1957年的計算證明,只有溫度和密度都足夠高并維持一段時間,才能夠開啟穩(wěn)定的核聚變。在此之前,地球上只有兩種方式能夠?qū)崿F(xiàn)核聚變,一種是氫彈,利用原子彈爆炸的威力在核心瞬時實現(xiàn)核聚變,這顯然只能用于破壞而不能用于建設;另一種方式則是在反應堆或加速器中,利用高速粒子轟擊,偶爾能實現(xiàn)一兩次核聚變,這種方式的效率顯然太低了,而且無法實現(xiàn)能量輸出。如何在地球上滿足勞森判據(jù),需要把人類目前的技術(shù)條件發(fā)揮到極致。
從托卡馬克到ITER
1958年,美國、英國和蘇聯(lián)決定共享此前一直被他們視為“國家機密”的核聚變技術(shù),共同攻克這個技術(shù)難關(guān)。經(jīng)過比較,其中獲得優(yōu)先研究的是蘇聯(lián)的托克馬克實驗反應堆,即通過強大的磁場約束,不斷地注入能量,將溫度提升到1億-1.5億度,相當于太陽核心溫度的10倍!在這樣的高溫高壓條件下,使氘和氚核(即帶有1個和2個中子的氫元素核)發(fā)生聚變反應。
核聚變的困難在于容器的建設,常規(guī)材料無法承受如太陽核心般的高溫,人們只能尋求物理學工具來幫忙。迄今為止,在引力約束之外,人們對于如何約束等離子體并達到高溫,提出了多種方式,比如激光約束(用強激光束加熱并維持等離子體)、磁場約束。其中占上風的磁場約束又有多種設計方案,比如建造成各種不同的形狀:雪茄形、8字形或是別的什么,最終人們還是選擇了圓形。蘇聯(lián)物理學家薩哈羅夫和塔姆設計的托卡馬克是現(xiàn)在的主流,在1968年成功實現(xiàn)將一團等離子體加熱到高達1000萬度,并維持穩(wěn)定狀態(tài)3毫秒以上。
為了產(chǎn)生1億-1.5億度的高溫,托卡馬克是名副其實的“電老虎”,即使是小型的實驗裝置,耗電功率也如同一座中等城市。1997年英國JET裝置實現(xiàn)了在2秒多時間內(nèi)產(chǎn)生了16兆瓦的核聚變能量輸入,只是輸入功率卻高達25兆瓦!法國的另一臺裝置環(huán)流器在2003年實現(xiàn)了保持無核聚變穩(wěn)定狀態(tài)6分30秒。前路依然漫長,但這些進展依然讓科學家們歡欣鼓舞。ITER的任務書中設計的目標并不高,只是在6分40秒的持續(xù)時間內(nèi),以50兆瓦的輸入功率得到500兆瓦的核聚變能量輸出。而根據(jù)估計,要達到工業(yè)應用標準,效率至少還得提高5倍,持續(xù)運行時間得長達數(shù)月,全天候運行。從這一點來看,ITER名副其實是一座“實驗性”的反應堆。
爭議纏身,但前景光明
ITER是現(xiàn)代科學和工業(yè)需求共同催生的巨無霸,它的運行時間長達30年甚至50年,由于一再推遲,其預算也從50億歐元飆升到150億美元,由數(shù)十個國家提供。但如今,某些國家的財政狀況堪憂。
更多的爭議還是來自科學方面。環(huán)形托卡馬克的建設是基于等離子體的穩(wěn)定性,然而這種由電子和原子核組成的高溫狀態(tài)的物質(zhì)維持穩(wěn)定是很困難的。在太陽中我們看到了各種不穩(wěn)定現(xiàn)象――噴發(fā)、漩渦、翻滾,在實驗室等離子體的表面同樣存在。將來的應用中還必須有效地抽取能量,這種干擾對于等離子體的穩(wěn)定性影響如何還未可知。
建設反應堆所需要的材料的研發(fā)和選擇,也將是一個重要的難題,它必須能夠承受高溫高壓,以及超高能粒子流的長時間沖擊。
事實上,科學界公認的一點是:第一代聚變反應堆肯定價格不菲,且本世紀內(nèi)無法廣泛應用,以至于有笑話說“核聚變能源是未來能源……它永遠都是”。不過相對于使用木柴和石油燃料的歷史,人類對于核科學的研究還不到100年,對核聚變的研究也才50年,我們?nèi)杂凶銐虻睦碛善诖茖W家給我們帶來“世界從此和平”的美好消息。
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