中国距利用[核聚变能]还有多远?丨科技视界

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导语:

  中国现在[人造太阳]达到1亿度以上运行,这意味着我国核聚变技术又上升到一个新的台阶。什么样的装置能耐如此高温?距离世界先进水平还有什么差距?

  据中国核工业集团有限公司4月公布的消息,中国[人造太阳]环流器二号M(HL-2M)装置将于今年建成,HL-2M是在我国首个具有偏滤器位形的大型托卡马克装置[中国环流器二号(HL-2A)]基础上新研制的又一大型托卡马克装置,其科研目标是探索可控核聚变研究,实现[人造太阳]的人类终极能源追求。

  该脉冲机组的成功研制,将驱动HL-2M装置的等离子体电流达到此前现有装置的2倍以上、等离子体温度超过1.5亿度,从而为在这个装置上开展近堆芯级参数下的等离子体物理实验和关键技术研究提供有力保障。

  这意味着我国的核聚变技术又上升到一个新的台阶,中国距利用核聚变能的梦想又近了一大步。

  此前,中国科学院等离子体所2018年11月12日发布消息,我国[人造太阳]项目获得重大突破,首次实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦,等离子体中心电子温度首次达到1亿度。

  不过,按照现在的研究进展,人类实现聚变能的商业化应用至少还要等到2035年以后。

被称为中国[人造太阳]的[东方超环](EAST)大科学装置

核聚变其实并不复杂

  [‘人造太阳’只是为了便于大众理解的一种比喻说法,它是指科学家利用太阳核反应原理,为人类制造一种能提供能源的机器——人工可控核聚变装置,科学家称它为全超导托卡马克核聚变试验装置。]中国科学院等离子体物理研究所聚变堆总体研究室执行主任高翔研究员对记者表示。

  中国的[人造太阳]又称为[东方超环](EAST),是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克,也是中国第四代核聚变实验装置。

  [人造太阳]并不能像真正的太阳那样给我们光和热。这也是不可能的,否则,地球上的我们离这样的装置这么近,还不被气化了?哪里还有科学家做实验?

核聚变反应示意图(图片来自网络)

  其实,核聚变并不复杂,它是指氢原子核反应时放出巨大能量的过程。只要聚拢两个氢同位素原子,用压倒性的力量把它们撞在一起;两个原子核克服了它们之间天然的排斥力实现融合,就能发生核聚变,并释放出巨大的能量。但是在现实中,其发生反应的条件比重原子核发生的核裂变要苛刻得多。

  根据科学构想,核聚变主要有冷核聚变与热核反应两种方式。

  冷核聚变是指轻原子核在相对低温(甚至常温)下进行的核聚变反应,这种设想将极大地降低反应要求,只要能够在较低温度下让核外电子摆脱原子核的束缚,或者在较高温度下用高强度、高密度磁场阻挡中子或者让中子定向输出,就可以使用更普通更简单的设备产生可控冷核聚变反应,同时也使聚核反应更安全。不过这种情况还只是针对自然界已知存在的热核聚变而提出的一种概念性[假设]。

  热核反应是当前很有前途的新能源获取方式,是指参与核反应的轻原子核,如氢(氕)、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应。

  热核反应是氢弹爆炸的基础,1967年6月17日中国第一颗氢弹已经爆炸成功,这个过程在瞬间产生大量热能,但目前还无法加以利用。不过科学家们发现,如能使热核反应在一定约束区域内,根据人们的意图有控制地产生与进行,即可实现受控热核反应。这也正是现在中国、美国、日本及欧盟等一些国家和组织正在进行试验研究的重大课题。

1亿度的高温为何没把外壳熔化?

  在我国[人造太阳]取得的进展中,其所达到的1亿度高温引起了很多人的兴趣。这样的温度究竟有多高?实在是难以想象。一个可以参考的对象是:太阳核心峰值时温度约为1500万摄氏度,中国[人造太阳]是太阳核心温度的6倍。

  其实,在科学家们在最开始尝试核聚变反应时,已经在仔细考虑这个问题。因为超过万度以上的等离子体不能用任何材料所构成的容器约束,使之不飞散,科学家们必须寻求某种途径防止高温等离子体逃逸或飞散。

  经过不断的研究,科学家们发现,具有闭合磁力线的环形磁场是一种最可能的选择,因为在这种环境中带电粒子只能沿磁力线运动。这种环形磁场也被科学界形象地称之为磁笼。

  从20世纪40年代末起,各国就开发了多种磁笼途径。20世纪70年代开始,苏联科学家发明的托卡马克装置逐渐显示出了独特的优点,并在80年代成为聚变能研究的主流途径。

磁笼(图片来自网络)

  托卡马克装置又称环流器,是一个由环形封闭磁场组成的磁笼,很像一个中空的面包圈,等离子体在这个面包圈中运动,产生超高温。

  高翔表示,等离子体的运动离不开磁力线,它们的温度和能量再高,也只能在磁笼中沿着磁力线旋转运动。他打了一个十分形象的比喻,我们完全可以把高温离子体看作是一个个穿起来的糖葫芦,当中间的串儿变成环形的,不管上面的[糖葫芦]如何运动,温度高到什么地步,依旧只能在串上面运动。在聚变堆研究实验中,只要设计好磁场,超高温的离子就像赛道上跑的车,一定是在磁场这个悬浮的[赛道上]跑,不会和外围的实体材料进行直接的碰撞。

  另外,在设计中,尽管磁笼的中心可以达到1亿度以上,但磁笼等离子体的温度也是从中心到外围递减的,其最接近装置的温度已经降到了1万度以下,而外边的装置通过水冷系统可以把温度控制在150度到300度。

[人造太阳]点火装置能量产生原理详解

  高翔说,在设计的托卡马克装置中,高能离子被磁笼完全束缚住无法逃身,就是有离子能够逃离,一般也是能量很低的低温离子,已经处于设备能够承受的范围。这也是磁笼中1亿度、甚至是数亿度高温的等离子体不会导致磁笼外边的容器等装置被熔毁的重要原因。

1亿度无法满足核聚变利用要求

  有媒体报道,考虑到氘和氚原子核发生聚变反应的条件,若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应,中心电子温度必须达到1亿度以上,因此很多人以为1亿度是氘、氚聚变堆建设的最低要求。

  高翔表示,这样的看法并不正确。因为在现在技术水平下,1亿度的温度远不能达到氘、氚能够聚变利用的水平。考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件,若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应,温度要求更高;若要达到经济利用,则等离子体中心电子温度必须达到4-5亿度以上。

  在这样高的温度下,气体原子中带负电的电子和带正电的原子核完全脱开,可以实现各自的独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的超高温等离子状态中,密度、能量维持时间两个参数也同时达到相应的要求,核聚变才能变成现实。

  1亿度的温度是中国[人造太阳]工程的新纪录,但中国和国际水平还有较大的差距,目前日本已经可以实现5亿度的高温,美国和欧洲也已经达到2亿度以上的水平。

  高翔说,现在中国的[人造太阳]也有自己的优势,譬如与日本的装置相比,中国属于更新一代,虽然目前已经实现的温度比他们要低得多,但是在某些方面更具有优势。

或可破解[核电困局]

  高翔说,受控热核反应是聚变反应堆的基础,聚变反应堆一旦成功,就有望向人类提供清洁而又取之不尽的能源。

  物理学家们研究发现,核能可通过三种核反应中的任何一种进行释放:其一是核裂变,即较重的原子核分裂释放结合能;其二是核聚变,即较轻的原子核聚合在一起释放结合能;其三是核衰变,这是原子核在自发衰变过程中释放能量。

  目前,人类已经大规模获取核能源的是核裂变方式,其是利用原子核裂变反应的能量来发电(核电站)或作为动力驱动,如核动力航母等。核聚变有望被大规模利用,还处于研究过程之中。核衰变主要应用于放射性研究及其应用中。

  我国已经是世界上裂变式核能利用大国之一。核裂变式核能利用的问题在于,存在强辐射威胁,防护要求很高,重核废料也不容易处理,另外还存在核燃料铀的开采和提料难等问题。与之相比,[蔚蓝资讯网人造太阳]不管是聚变中,还是聚变后,相关物质的核辐射威胁都要小得多,安全问题相对而言也更可控。

  由于可控聚变反应需要的条件比较高,一旦发生事故,只是造成反应的等离子体约束破裂,聚变反应也会因为反应条件丧失而终止。因此,聚变燃料的保存运输、聚变电站的运行都比较安全。并且聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物,不释放温室效应气体。

  科学界认为,若实现受控热核聚变能大规模利用,将从根本上解决人类社会的能源问题。并且核聚变在技术上已经有了可行性。20世纪90年代,在欧洲、日本、美国的几个大型托卡马克装置上,聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。这为人类利用核聚变能带来了希望的曙光。

  聚变原料取之不尽。其主要燃料中的氘在海水中大量存在,据估计海水中大约每6400个氢原子中就有一个氘原子,海水中氘的总量约45万亿吨。而每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量,按世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年。氚在自然界中十分稀有,但是可以由锂制造,而锂在地壳和海水中都大量存在。

  据测算,1千克核聚变燃料所产生的电能大约等同于1.1万吨煤炭,这意味着未来人类将能够实现廉价获取更为绿色清洁的能源梦想,对这类能源的追求也是未来全人类发展的大方向。因此,核聚变能被众多国家寄予了厚望。(记者 李鹏 本专栏与[科普中央厨房][科学加]客户端合作建设 || 责任编辑 王小宁)

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