可控核聚变(1 / 2)

年,苏联公布了一种基于托卡马克构型的磁约束核聚变装置-,实验显示其内部的燃料可以达到惊人的万度,这一结果,轰动了全球聚变界。

不过,虽然技术最早是苏联提出的,但核聚变的世界纪录在天朝

(全超导托卡马克装置合肥)

年月日晚,位于安徽合肥的中科院等离子体所的全超导托卡马克装置(EAS)实现了.秒稳定长脉冲高约束等离子体运行,这是世界上第一个实现稳定高约束达到百秒量级的托卡马克装置,这一超长稳定约束时间创造了世界纪录。

在物理学中,核聚变反应发生的必要条件被称为劳森判据,这一用于判定是否发生了核聚变的条件,可以简单概括为一个不等式,即聚变反应燃料的密度、温度、约束时间的乘积必须要大于一个很大的值。太阳之所以是个炙热的火球,就是因为其表面时时刻刻都在发生着这种核聚变,也因此,地球上的可控核聚变工程才有了“人造太阳”的昵称。

要想发生核聚变,就得达到劳森判据。而当反应温度达到核聚变需要的几千万摄氏度时,核燃料氘氚原子早已分裂成电子-质子的等离子形态,因此,世界各国研发托卡马克聚变装置的目的就是,比赛看谁的装置能稳定约束住它们,使其乖乖地不乱跑,并且约束的时间越长越好。

所以,天朝的EAS在年创造的秒的高约束时间自然就拔得了头筹。也就是说,我们国产的“高压锅”质量更好,科技含量更高,里面的“排骨”炖得更烂。

(天朝HL-A托卡马克装置成都)

天朝核聚变新的征程——FER

相比于各国核竞赛、太空竞赛等“闭门造车”式的发展,核聚变却需要全世界共同建造,这也从侧面印证了可控核聚变的技术难度实在是太高了。所以,年,中美欧俄日韩印七方共同签约,决定在法国aarach建造国际热核聚变实验反应堆。

由于众所周知的原因,国外的工程项目进度和天朝比起来,都慎之又慎,原计划于年建成通电的项目,最近又推迟到年。鉴于此,天朝科研人员在深度参与IER的同时,又另起炉灶提出了一项雄心勃勃的计划——打造属于天朝人自己的聚变工程实验堆。

这件事和最近比较火热的一则新闻对比来看,会更有意思。服役将近年的国际空间站预计将于4年退役,届时,天朝的空间站将成为在轨运行的唯一一个空间站,天朝已正式开启天朝空间站国际合作,盛情邀请世界各国积极参与。

是不是很类似?在这种极具挑战性的大科研装置中,天朝都是以一己之力在和一个名为“外国”的国家你追我赶。就在外国因为经费问题相互扯皮的时候,天朝已经脚踏实地地集中力量办了大事。

根据目前公开的资料,FER在借鉴IER现有的物理和技术基础上,将主要研究稳态燃烧等离子体特性和控制燃料氚的自持、聚变发电、聚变堆材料等重大科技问题。除此以外,FER还将演示连续大规模聚变能安全、稳定发电的工程可行性,与IER装置实现互补。

具体来说,有以下几点:

()FER托卡马克装置将继续采用全超导托卡马克技术路线,吸收消化IER的技术。

FER体积约为IER的%,其中它的装置的大环直径将达到.4米,小环直径.米,在装置尺寸缩减的同时,还要保持环内等离子体电流达到兆安,纵向磁场特斯拉,氚再生比例大于.。

()FER装置在建设方面将采用IER%的技术积累,但在此基础上弥补了IER装置时间短、燃料氚不能自持不能发电等功能。

考虑到FER需高参数稳态运行,单独靠欧姆变压器的磁通变化是不能将环向电流长期维持下去的,因此,天朝的FER装置将采用电子回旋共振加热、低杂波电流驱动、中性束注入和离子回旋共振加热等四种辅助手段对等离子体进行电子加热和非感应电流驱动。

()FER装置一期在物理上将实现较为可靠稳妥的科学目标,聚变能输出功率达到兆瓦。二期工程,将充分利用国内外最先进的经验和科学实验结果,通过堆内部件的升级,在同一个实验堆上实现大于兆瓦聚变能的输出,反应产出比这一关键指标的“Q值”将实现大于,也就是说每消耗份能量,将会得到份能量,而IER才仅仅为。

(IER核聚变装置剖切图)

FER要实现的目标是最小聚变功率为-兆瓦,且年聚变燃烧时间在大于.-.秒条件下,实现稳态或长脉沖运行,验证聚变堆系统的氚自持,通过利用FER来探索满足EM级别装置要求的包层与偏滤器设计,探索利用远程遥控进行方便更换的方案,探索获得EM级别聚变电站许可文件的技术途径。

从世纪末汤姆逊发现电子以来,人类逐步揭开微观原子世界的奥秘。此后随着各种放射元素的发现以及爱因斯坦著名质能方程的提出,为最终人类实现核能的应用奠定了可靠的科学基础。4年世界第一座核反应堆在米国诞生,随后人类就加速了核能的应用进程,不过可惜的是首先应用于战争与武器,这就是米国在日本投下两颗迄今唯一用于实战的原子弹,随后才是4年世界第一座商用核电站在前苏联建成。

核能有三种形式,分别是核裂变、核聚变和核衰变,其中能为人类提供大量能量的是裂变能和聚变能。根据爱因斯坦的质能方程,只要核反应前后有质量上的衰减,就会释放巨大的能量,核裂变是较重的原子核分裂之后出现质量损失而产生能量,而核聚变则相反,是较为轻的原子核聚合在一起而产生质量衰减,两者一分一合,只是反应方式不同。

其中较容易实现的是核裂变,而核聚变就比较困难了,因此利用裂变能的核武器原子弹问世要早于利用聚变能的氢弹。然而一般来说核聚变产生的能量比之核裂变更为强大,理论上从质能转换率来看,核聚变为.%,而核裂变为.%,仅为聚变的四分之一左右。

然而更重要的是核聚变的原料可以从海水中提取,取之不竭用之不尽,而常见的核裂变反应原料铀储量稀少,另外核聚变几乎不会产生放射性的污染物,清洁安全也是核裂变反应难以比的。这是多么令人类神往的完美能源,要知道我们头顶的太阳就是靠着核聚变反应维持的。所以如何利用核聚变为人工提供无穷无尽的能源,成为人类自发明火(化学能)、电(电能)后实现下一次文明飞跃的关键所在了。

那为什么核聚变能的稳定获取比之核裂变要难得多?其实氢弹也是运用,但那是破坏性的,不能持续为人类文明生存发展提供能源,就姑且不说了。最主要的原因还是两种反应所依据的核物理规律不同。核裂变的原子核质量较大,而且本身不稳定,所以只要常温常压的环境就能实现裂变反应,而核聚变反应则不同,要克服原子核之间巨大的静电排斥力,没有足够的能量或特殊环境,去击破这排斥力的临界点,就无法把原子核融合在一起,从而释放巨大能量。

所以问题关键就到了如何为核聚变创造特殊的高压高温环境。以大自然最常见的核聚变反应——太阳来说,巨大的质量使其内部形成达亿个大气压的超高压力,再加上万度的温度,就可以把氢原子聚变成氦原子。可是换成人类在地球上来实现这个过程的话,由于这个超高压条件完全无法达到,就只能在高温上下功夫了,所以需要把温度提高到上亿度才行。

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