核聚变是人类追求的终极能源吗?

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发布日期:2017年12月18日 所属分类:新知

人类从未停止过对更高效更清洁能源的探索,其中核聚变能被认为是终极选择之一。为推进可控核聚变研究,各国联合推动了国际热核聚变实验堆(ITER)计划。

近日在科技部举办的中国加入ITER计划十周年纪念活动上,科学家就“核聚变是能源的美好未来吗”等话题进行了探讨。

核聚变是人类追求的终极能源吗?

仅在海水中就有超过45万亿吨氘,释放的能量足够人类使用上亿年

原子核中蕴藏巨大的能量,从一种原子核变为另外一种原子核往往伴随着能量的释放。核聚变能是两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核时释放的能量,聚变的主要燃料是氢的同位素——氘和氚。

太阳发光发热的原理正是核聚变反应。中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆说,太阳的中心温度极高,气压达到3000多亿个大气压,在这样的高温高压条件下,氢原子的两个“同胞兄弟”——氘和氚聚变成氦原子核,并放出大量能量。“太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置,几十亿年向外辐射能量。”

不过,由于聚变能量实在太大,人类要加以利用,就必须对它进行控制,这也是科学家一直努力的目标。

核聚变应用前景广阔。首先,核聚变原料十分丰富。据测算,每升海水中含有0.03克氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。因此仅在海水中就有超过45万亿吨氘,释放的能量足够人类使用上亿年。其次,核聚变反应过程不产生污染环境的硫、氮氧化物,不释放温室效应气体。此外,聚变堆的安全性还非常高。

“核聚变能具有资源丰富、安全、清洁、高效等多种优点,能基本满足人类对于未来理想终极能源的各种要求。” 罗德隆说。

科学家设想,如果发明一种装置,能够控制氘和氚聚变,并稳定持续输出能量,那就相当于人造了一个“太阳”。专家认为,如果在民用上能实现可控,将彻底改写人类的能源版图。

不过,核聚变反应原理看上去虽然非常清晰,但要实现受控热核聚变反应却非常困难。

罗德隆说,实现受控热核聚变反应至少要满足两个苛刻条件。第一,极高的温度。氘核与氚核间发生聚变反应时,温度须达到5000万摄氏度以上。这种在极高温度下才能发生的聚变核反应也称热核反应。在如此高温下,物质已全部电离,形成高温等离子体。第二,充分的约束。即将高温等离子体维持相对足够长的时间,以便充分地发生聚变反应,释放出足够多的能量。

“只有这样,利用聚变反应释放出的能量才可以维持所需的极高温度,无需再从外界吸收能量,聚变反应就能够永续进行、为人所用。”罗德隆说。

磁约束核聚变方式在实验室条件下已接近于成功

上世纪30年代,科学家就提出了聚变的设想。科学家开始开展受控热核聚变研究时,曾认为可以很快实现聚变能的应用。然而几十年过去了,相关研究却并未达到预期。

实现受控热核聚变,首要问题是用什么方法以及如何加热气体?因为等离子体温度需要上升到几千万甚至上亿摄氏度,而能装下这么热的气体同时又不让它逃逸的容器,目前还没有找到。有没有什么方法,在把气体加热成高温等离子体时又不让其逃逸或飞散呢?

罗德隆说,目前主流可控核聚变方式主要有磁约束核聚变、激光约束(惯性约束)核聚变、超声波核聚变。其中,磁约束是利用强磁场约束带电粒子,构造反应腔,建成聚变反应堆,将聚变材料加热至数亿摄氏度高温,实现聚变反应。“目前,磁约束核聚变在实验室条件下已接近于成功,成为国际上主流的研究方向。”

磁约束的概念由苏联科学家在50年代初提出,并于1954年建成了第一个磁约束装置。科学家将这一形如面包圈的环形容器命名为“托卡马克”。

托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写,又称环流器。这是一个由封闭磁场组成的“磁笼”,像一个中空的面包圈,可用来约束电离了的等离子体。

“等离子体就被约束在这个‘磁笼’中,像一个中空的面包圈。通过一种特殊的装置,目前已经可以把氘氚的聚变燃料加热到四五亿摄氏度,然后在高温下发生大量的聚变反应。磁约束核聚变又称为托卡马克方法。”罗德隆说。

罗德隆说,几十年来科学家一直在研究和改进磁场的形态和性质,从而能够实现长时间的等离子体的稳定约束,并解决等离子体的加热方法和手段,达到聚变所要求的温度。此外,在此基础上,解决维持运转所耗费的能量大于输出能量的问题。

研究可受控聚变,是人类漫长的“夸父逐日”。据了解,截至目前托卡马克装置都是脉冲式的,等离子体约束时间很短,大多以毫秒计算,个别可达到分钟级。因此,还没有一台托卡马克装置能够实现长时间的稳态运行。

包括中国、美国、法国等国家在内的科学家尽管都在聚变研究上取得了一些突破,但越来越多的研究者们意识到,仅靠一国之力,很难完成受控聚变实验堆的任务,ITER计划由此而生。这一计划又被称为“人造太阳”,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,其目标是在和平利用聚变能的基础上,探索聚变在科学和工程技术上的可行性。

在核聚变领域,我国与国际上基本同步,某些方面甚至领先

2003年2月,我国正式加入ITER计划谈判;2007年,国家批准设立“ITER计划专项”;2008年,我国全面开展ITER计划工作。

我国磁约束核聚变研究历史,可追溯至五六十年代。

当时,中科院物理所最先建造了一个直线放电装置和两个角向箍缩装置,并于1974年建成了我国第一台托卡马克CT—6。此后不久,中科院等离子体物理研究所成立,并于1995年建成HT—7托卡马克装置。这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。

据悉,中国已先后建成并升级改造了中国环流器二号A和“东方超环”(EAST),用于研究等离子体的稳态和先进运行,探索实现聚变能源的工程、物理问题。前者是我国首个带偏滤器的大型托卡马克聚变研究装置,后者是世界首台全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置。EAST的建成使我国成为世界上少数几个拥有该类型超导托卡马克装置的国家。

2017年7月,EAST装置在世界上首次实现了5000万摄氏度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行,创造了核聚变的世界纪录。这一里程碑式的突破,表明在稳态运行的物理和工程方面,我国磁约束核聚变研究走在国际前沿。

罗德隆说,在大力推进自身托卡马克装置研制和实验的同时,我国也积极参与、推动国际热核聚变实验堆ITER计划。

他介绍,ITER的构成相当复杂,需要各项超前技术。我国陆续承担了该计划18个采购包的制造任务,涵盖了ITER装置几乎所有的关键部件,制造任务由几十家科研院所、企业承担。我国在研制过程中取得重大突破,解决了一系列聚变工程关键技术难题——

2013年8月,我国研制生产出大电流高温超导直流电缆,这是向国际热核聚变实验堆供货的超导电缆;2016年4月,中国承担生产和设计的首个超大部件——脉冲高压变电站首台主变压器,运往ITER设施的建造地法国;2016年12月,由中核集团西南物理研究院自主研发制造的国际热核聚变核心部件——超热负荷第一壁原型件在国际上率先通过权威机构认证。

“参与ITER项目10年,中国核聚变技术能力与管理水平大踏步前进发展。如今,我国在核聚变领域处于与国际同等甚至某些方面领先的地位。”罗德隆说。

罗德隆说,参与建设ITER的同时,我国也在运用全新的技术和材料去设计下一代大型装置,目前正在对中国聚变工程实验堆开展前期研究。(原载:人民日报)

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