中国发明“人造太阳”可释放1亿℃!为核聚变奠定基础!

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,在电子回旋与低杂波协同加热下,等离子体中心电子温度首次达到1亿度。

“人造太阳”全称为“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”,其装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克。ITER计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,合作承担ITER计划的七个成员是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国,这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家,覆盖的人口接近全球一半。

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2003年1月,国务院批准我国参加ITER计划谈判,2006年5月,经国务院批准,中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。2013年1月5日中科院合肥物质研究院宣布,“人造太阳”实验装置辅助加热工程的中性束注入系统在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出。

ITER计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能,从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。在全世界都对人类能源、环境、资源前景等问题予以高度关注的今天,各国坚持协商、合作的精神,搁置诸多的矛盾和利害冲突,最终达成了各方都能接受的协议,并开始合力建设世界上第一座聚变实验堆。

我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。我国是一个持续高速发展的发展中大国,能源问题日益突出,因而长期以来对有可能彻底解决能源问题的核聚变能研究作了力所能及的安排。我国政府参加ITER计划国际协商,显示了我国作为一个发展中大国对我国和对人类未来负责任的态度,以及对打开国门积极参加国际科技合作的决心。

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由中科院等离子体所自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置,是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克大科学装置EAST,近期实现加热功率超过10兆瓦、实现一亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破,获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。

继去年创造了101.2秒高约束模等离子体运行的世界纪录后,今年的EAST实验重点开展了高功率加热下堆芯物理机制研究的系列实验。通过优化稳态射频波等多种加热技术在高参数条件下的耦合与电流驱动、等离子体先进控制等,实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦;在电子回旋与低杂波协同加热下,等离子体中心电子温度达到一亿摄氏度。

该实验实现了高约束、高密度、高比压的完全非感应先进稳态运行模式,获得的归一化参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,为正在进行的中国聚变工程实验堆(CFETR)工程和物理设计提供了重要的实验依据与科学支持。

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核聚变与核裂变有什么区别?

核聚变,又称核融合,是指由质量小的原子,比方说氘和氚,在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成中子和氦-4,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。如果是由较轻的原子核变化为较重的原子核,称为核聚变,如恒星持续发光发热的能量来源。核聚变就是小质量的两个原子核合成一个比较大的原子核,核裂变就是一个大质量的原子核分裂成两个比较小的原子核,在这个变化过程中都会释放出巨大的能量,前者释放的能量更大。如果是由重的原子核变化为轻的原子核,称为核裂变,如原子弹爆炸。

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可控核聚变到底是什么?究竟有多难实现?

首先得说什么是核聚变。

核聚变是指两个轻元素(不光是氢元素)变成一个重元素的过程。这一过程与我们常说的核电站中的核反应(即核裂变)是相对的。最常见的核聚变反应就是恒星的燃烧,每天太阳播撒大量的能量,其能量的来源就是源源不断的核聚变。

所以核聚变有着非常好的能源应用前景,能量密度极大,原料不是很贵,没有放射性污染,没有气体污染,没有二氧化碳的排放。这也是为什么国际上都在努力发展核聚变的原因

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其次说可控。不可控的核聚变我们早就打到了,就是氢弹。我们可以在瞬间引发核聚变,然后将能量一股脑的释放出来。但是这种能量的释放只能摧毁东西,而不能为平常生活所用。所以能够让聚变在指定的时间下发生,在指定范围内发生,并且能量被约束在一定范围内,这就是可控的核聚变。

核聚变本身就很难,两个轻元素如何变成一个重元素呢?一般来说,原子相互接触就会发生弹性碰撞(或者非弹性)。如果想让两个原子互相融合,需要的是极高的能量。

首先让原子变为等离子态,原子核才有可能互相接触。然后在更高的能量下,原子核才有一定可能互相融合。所以一般产生核聚变需要的是极高的温度。

氢弹的引爆就是靠一个小型的原子弹,让他产生巨大的能量,然后通过不断反射X射线,最终在内部引发聚变。但是在可控核聚变下,我们就不能使用这种一次性的手段了。

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目前可控核聚变主流的方法有两大类,一种是磁约束,一种是惯性约束(据说还有什么高电压聚变,我个人表示非常质疑,非常类似冷核聚变那种框人的东西)。

磁约束是通过巨大的磁场(可以是圆形的即托卡马克,也可以是非圆形的即仿星器)将等离子体约束在一定范围内,通过不断的加热,在磁场范围内达到聚变效果。磁约束中的托卡马克目前基本是研究核聚变最多的装置。欧洲的JET,法国的Tore Supra, 美国曾经的TFTR,日本正在更新中的JT-60SA,以及中国的EAST和HT-7都是这类装置。由中、美、俄、欧、韩、日、印这七个国家联合进行的ITER计划也是采用了托卡马克方式。

惯性约束是使用高能量激光从各个角度同时击中弹丸,然后在巨大的压力下,使弹丸发生聚变反应,并在激光的作用下,使核聚变约束在同时照射点上。据我所知,美国的国家点火计划是惯性约束目前技术最成熟的装置。但是不论是磁约束还是惯性约束,目前都很难做到氘-氚聚变中Q大于1,也就是输出能量大于输入能量。所以目前所有的聚变反应都是亏本买卖。使用核聚变发电的路还很长远。


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