主页 > 核电 > 核电技术 >

一文了解核聚变技术、研究方法及商业化进展

        发布时间:2019-11-06 10:32        编辑:北极电力网

日前,美国能源部普林斯顿等离子体实验室在最新一期《核聚变》杂志上发表了一篇论文,公布了他们正在研发新一代核聚变设备计划的相关信息。而前不久,普林斯顿等离子体实验室刚刚完成了“美国国家球形托卡马克实验”项目的升级。

 

下面,先来了解一下“核聚变”,然后再介绍当前全球在“核聚变”方面的一些进展情况。

 

核聚变VS核裂变

 

提到“核聚变”,相信大多数人会联想到核电站和原子弹。其实,核聚变与这两者有本质上的区别。因为,核电站和原子弹的能力来源是核裂变。核裂变是指原子核,通常指金属铀和钚的原子核,分裂成两个或多个质量较小的原子的一中核反应形式。而核聚变,则是指质量较小的原子,主要是指氘和氚在超高温、高压的作用下,两个原子核碰撞到一起,发生聚合作用,生成新的质量较重的原子核,如:氦。同时,之前被原子核所束缚住的电子和中子在这个过程中就被释放出来。这个释放的过程就是能量释放,就是核聚变。由此,大家可以看出,核聚变其实是与核裂变相反的核反应形式。

一文了解核聚变技术、研究方法及商业化进展

我们每天看到的太阳,其内部就在连续不断进行着氢聚变成氦的过程。我们感受到的光和热,就是核聚变产省的。相比核裂变,核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题。同时比核裂变所释放的能量更大。而且其原料可以直接取自海水中的氘,来源几乎取之不尽。据悉每一升海水中含有30毫克的氘,而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。由此可见,核聚变是理想的能源方式。

 

核聚变研究历史

 

人类关于核聚变的研究,最早好似从1932年开始。当时,澳洲科学家马克•欧力峰发现了核聚变程序。随后,他又在1950年代早期在澳洲国立大学成立了等离子体核聚变研究机构。目前,人类已经实现了核聚变,如氢弹的爆炸。但那是不可控的核聚变。人类如果想要将核聚变的能量真正利用起来,就必须对核聚变的速度和规模进行控制,并将能量持续、平稳的输出。而产生可控核聚变的条件非常苛刻。以太阳为例,其核心温度高达1500万摄氏度,另外还有巨大的压力才能产生核聚变,但地球上没有办法获得如此大的压力,只能通过提高温度来弥补。并且,温度必须达到上亿度才行。因此,人们通常又将核聚变装置称为“人造太阳”。

 

核聚变的两种主要方式

 

由于地球上没有任何一种固体物质能够承受上亿度的高温,因此,目前科学家主要通过两种方式来实现。

 

一种方式,是惯性约束核聚变,或称为激光约束核聚变,如我国的神光计划和美国的国家点火计划就是采用的这种方式。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体,装入直径约几毫米的小球内,从外面均匀射入激光束或粒子束,球面因吸收能量而向外蒸发,而受它的反作用,球面内层就像喷气式飞机往后喷而推动飞机往前飞一样,会向内挤压,小球内的气体受压后压力升高,同时温度也会急剧升高。当温度达到所需要的点火温度,即上亿温度时,小球内气体便发生核聚变爆炸,并产生大量热能。这个爆炸过程时间极短,只有几万亿分之一秒。如果这个过程能够连续不断地进行下去,就会形成可控的核聚变。

 

另外一种核聚变方式是磁约束核聚变。这种方式,目前被认为是最有前途的。当前在法国正在兴建的国际热核聚变实验堆即是采用这种方式。磁约束核聚变装置又被称为托卡马克装置,最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维奇等人在20世纪50年代所发明。该装置的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候,托卡马克装置的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。我国的惯性约束核聚变反应堆,神光-Ⅲ主机装置,是世界第二大激光聚变装置,其主机目前已经在中国工程物理研究院基本完成建设。中国也成为继美国点火装置后第二个开展激光惯性约束核聚变实验研究的国家。与中国的神光-Ⅲ主机装置采用相同核聚变模式的美国国家点火装置是世界上最大的激光聚变装置。理论上,它可以将200万焦耳的能源通过192条激光束聚焦到一个很小的点上,从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。但在最新的一次实验里,输入的150万焦耳的能量,仅产生了1.7万焦耳的能量。由此可见,可控核聚变还有很长的路要走。

 

ITER计划

一文了解核聚变技术、研究方法及商业化进展

与美国和中国的两个采用激光约束方式的核聚变装置不同的是,国际热核聚变实验堆计划,简称ITER计划,则采用的好似目前看来最有前途的磁约束核聚变方式。同时,该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。

 

ITER计划于1985年倡议发起,经过16年努力,其工程设计方案与2001年完成,此后,又经过5年谈判,ITER计划的七方:美国、欧盟、中国、俄罗斯、印度、日本和韩国,于2006年正式签署联合协议,正式启动ITER计划。预计,ITER计划将历时35年完成。其中,建造阶段10年,运行和开发利用阶段20年,去活化阶段5年。ITER计划是以解决人类未来能源问题为目标,仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。世界上第一个热核聚变实验堆目前正在法国建造。

 

磁约束核聚变的三种形式

 

通过以上介绍,我们可以了解到,当前世界关于核聚变的产生方式主要有两种:一是惯性约束核聚变,或称为激光约束核聚变,美国的国家点火装置和中国的神光-Ⅲ主机装置都是这种方式;另外一种方式就是目前看起来可能最有发展前途的磁约束核聚变,而磁约束核聚变经过多年发展探索,也演化出了三种形式:圆环托卡马克装置、球形托卡马克装置和仿星器。(下面三幅图依次为这三种托卡马克装置)

一文了解核聚变技术、研究方法及商业化进展

目前,全球已经拥有托卡马克装置的国家绝大多数采用的都是圆环托卡马克装置包括国际热核聚变实验堆计划,ITER计划,采用的也是这种形式,圆环托卡马克装置在等离子约束性能方面有一定的优势,但是,由于其等离子电流的不稳定性,容易发生“大破裂”故障,进而对反应装置造成破坏。在托卡马克装置中,研究人员是用两组磁铁来约束等离子体。一组为外部装置,围绕着真空室;另一组则是内部变压器,用于驱动等离子体中的电流流动。这样一来,中心的磁场就会强于外部,因此托卡马克中的等离子体会朝着外壁移动,一旦撞上便会破裂。

 

因此,当前科学家对托卡马克的研究,很大一部分精力就是用在了避免“大破裂”上。

 

而仿星器由于构造上的原因,它内部的等离子体是由外部的磁场线圈进行约束,这些磁线圈会在真空室内部周围产生弯曲的磁场线,从而牢牢地控制住其中的等离子体,不让它们接触到容器的四壁,因此,它不存在大破裂的风险,运行起来也就更加稳定,但是,,仿星器的建造对工艺要求极高,费用也很是高昂。目全球仅日本和德国建有仿星器。其中,德国的Wendelstein7-X是世界上最大的仿星器装置,简称:W7-X,其造价高达10亿欧元。今年3月,W7-X完成了第一轮总计2000多次的实验。等离子体脉冲的持续时间从最初的半秒,达到了6秒。

 

目前,发仿星器正在升级改造,预计4年后,等离子体脉冲持续时间将可以持续30分钟。

 

而磁约束核聚变的第三种形式:球形托卡马克装置,相比于圆环托卡马克装置,它的内部孔洞较小,仅有圆环托卡马克装置孔洞的一半,这样,球形托卡马克装置就可以再相对比较弱、成本较低的磁场中产生高压等离子体。目前,在全球范围内,采用托卡马克装置的主要有英国卡拉姆聚变能研究中的兆安球形托卡马克MAST、俄罗斯的Globus-M,以及前面提到的美国能源部普林斯顿等离子体实验室的“国家球形托卡马克装置NSTX”。本次普林斯顿等离子体实验室发表在《核聚变》杂志上的论文中,研究人员描述了一种名叫“中心束注入装置”的设备,它能够启动和保持等离子流,并对约束和控制等离子体的磁场加以优化。

 

大学和商业公司核聚变的研究现状

 

除以上这些由国家机构所进行的大型可控核聚变项目之外,一些大学和商业公司也在进行可控核聚变方面的研究,不过,他们的可控核聚变规模更小,如:中国科学技术大学正在研发一种名为“反场箍缩磁约束聚变”,简称“科大一环”的实验装置。该装置半径仅为1.4米,目前已于2015年11月3日实现了首次试验放电。美国麻省理工学院在去年发布了一个名为ARC的核聚变反应堆项目,它计划采用一种名叫稀土钡铜氧化物的超导材料,其结果,是可以使核聚变反应的磁场强度翻倍,并使核聚变所释放的能量提高到一个数量级的水平。而美国老牌军工巨头洛克希德马丁公司之前也宣布,称其已在可控核聚变方面取得技术突破,第一个小至可以安装在卡车后端的小型反应堆有望在十年内诞生。

 

结语

 

虽然,现在看起来,实现“可控核聚变”对于我们人类来说,依旧困难重重,好像是一个不可能完成的任务,但从长远来看,核能必将是人类继石油、煤和天然气之后的主要能源。人类终将从“石油文明”走向“核能文明”。核能将是最终解决人类社会能源问题和环境问题,推动人类社会可持续发展的重要途径。我们这一代或将在有生之年有幸看到,可控核聚变发电造福人类的那一天。

TAG:一文 核聚变 了解 方法 研究 技术 日前

上一篇:实现核聚变的主流方法与最新研究进展 下一篇:协力共创新时期 我国核能公众沟通工作新局面

相关阅读

精彩推荐