動(dòng)態(tài)焦點(diǎn):超越美國(guó)！中國(guó)“人造太陽(yáng)”創(chuàng)輝煌，12萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)領(lǐng)導(dǎo)全球聚變技術(shù)

破世界紀(jì)錄

【資料圖】

好消息，我國(guó)的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（以下簡(jiǎn)稱：東方超環(huán)）再次打破記錄，經(jīng)過了122254次實(shí)驗(yàn)后，等離子體的約束時(shí)間終于維持在了403秒，等離子體在穩(wěn)定高約束下的持續(xù)時(shí)間，EAST上一次打破該記錄是在2017年的101秒，可以說(shuō)此次的世界紀(jì)錄是上次世界紀(jì)錄的4倍！

那么這項(xiàng)技術(shù)又帶來(lái)了哪些影響呢？可能網(wǎng)友就會(huì)表示：我們距離可控核聚變的商業(yè)化離得更近了。我們先來(lái)了解一系列的問題，什么是可控核聚變，說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)，可控核聚變，就是可以人為控制核聚變所釋放的能量，需要多少能量，就進(jìn)行多少次的聚變反應(yīng)。

可控核聚變

值得一提的是，這項(xiàng)技術(shù)目前來(lái)看人類還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，不過科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)似乎正在以核聚變的方式燃燒，據(jù)悉太陽(yáng)每秒鐘會(huì)將6億噸的物質(zhì)進(jìn)行核聚變反應(yīng)，因此太陽(yáng)一秒釋放的能量超過了地球上核武器數(shù)量釋放能量的總和。

這也是人類為何一直致力于可控核聚變的研發(fā)工作，由于核聚變采用的是用氫和氦為主的主要聚變材料，而在聚變反應(yīng)中，核聚變不會(huì)釋放核污染和核輻射，被譽(yù)為是人類未來(lái)的清潔能源。

高溫與壓力

與核裂變不同，核聚變需要在極高的壓力和溫度下進(jìn)行，很顯然地球上沒有這樣的條件，因此我們就需要一個(gè)裝置，比如東方超環(huán)，它的作用就是將等離子體約束在一個(gè)局部的空間中，繼而產(chǎn)生聚變反應(yīng)。

我們知道太陽(yáng)的核心溫度大約為1500萬(wàn)攝氏度，而太陽(yáng)內(nèi)部具有著可怕的壓力。如果要在地球上模擬出這樣的環(huán)境，壓力我們無(wú)法模擬，但是溫度可以調(diào)高，當(dāng)溫度穩(wěn)定在一億度以上時(shí)，我們就具備了核聚變的基本條件。

目前來(lái)看，人類當(dāng)下使用的核聚變類型分為兩種，一種是磁約束，一種是慣性約束。磁約束是通過強(qiáng)大的磁場(chǎng)將高溫的等離子體固定在一定的空間內(nèi)，通過不斷加熱使其達(dá)到聚變條件。

超導(dǎo)東方超環(huán)

托卡馬克是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)磁局限融合的環(huán)形裝置，它通過生成一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，使得等離子體中帶電粒子在磁場(chǎng)力的作用下做圓周運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)約束。托卡馬克是目前最成熟的磁約束核聚變技術(shù)之一，具有約束力強(qiáng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但也需要較大的裝置和能量投入。

聚變方式

慣性約束是通過高能量激光或粒子束從多個(gè)方向同時(shí)擊中一個(gè)小球形的燃料靶，使其在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境，引發(fā)聚變反應(yīng)。激光慣性約束是一種利用高能激光或粒子束在極短的時(shí)間內(nèi)輻照氘氚靶來(lái)實(shí)現(xiàn)聚變的方法。

它通過將燃料靶點(diǎn)拋射開來(lái)產(chǎn)生一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)的高溫、高壓、高密度等離子體。這種等離子體在慣性作用下會(huì)受到自身質(zhì)量的約束，從而保持相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)。

激光慣性約束的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備可以做小，而且開、關(guān)火控制性能也比較好，但缺點(diǎn)是需要消耗大量能源產(chǎn)生激光用來(lái)點(diǎn)火，而且燃料靶丸制造成本也非常的巨大。

磁約束核聚變

而我國(guó)此次的全超導(dǎo)托卡馬克是一種利用全超導(dǎo)磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)磁約束核聚變的托卡馬克裝置。托卡馬克裝置的主要部件包括縱向場(chǎng)磁體和極向場(chǎng)磁體，它們分別用來(lái)產(chǎn)生環(huán)形和多極的磁場(chǎng)，以約束和控制等離子體的運(yùn)動(dòng)。

全超導(dǎo)托卡馬克的特點(diǎn)是使用低溫超導(dǎo)材料制造磁體，這樣可以大大降低磁體的電阻和能耗，提高磁場(chǎng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈沖或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的條件。

維持等離體子

事實(shí)上核聚變的過程非常的困難，尤其是在地球上進(jìn)行，在核聚變的過程中，需要將溫度和壓力維持在極高的范圍內(nèi)，這就對(duì)核聚變內(nèi)部的裝置材料有著極高的要求。

其次，可控核聚變的難點(diǎn)在于要使兩個(gè)輕原子核克服靜電排斥力而接近到足夠的距離，從而發(fā)生融合聚變形成新的更重的原子核。這需要給原子核提供長(zhǎng)時(shí)間的極高溫度和壓力，以及足夠長(zhǎng)的約束時(shí)間，也就是說(shuō)等離體子維持的時(shí)間越長(zhǎng)，就意味著核聚變所釋放的能量就會(huì)越大。而這就會(huì)導(dǎo)致越來(lái)越多的聚變材料，加入到聚變的反應(yīng)中。

建造材料

目前來(lái)看，我們想要建造一個(gè)核聚變堆，需要整個(gè)人類文明共同的能力，才能建成，想要建造聚變堆就需要：

選擇合適的核聚變反應(yīng)類型，如氘-氚反應(yīng)、氘-氘反應(yīng)或氦-3反應(yīng)等，確定所需的燃料和產(chǎn)物，最終這些原子都會(huì)融合為氦-4。選擇合適的核聚變反應(yīng)堆類型，如激光慣性約束或磁約束等，確定所需的裝置結(jié)構(gòu)和參數(shù)。選擇合適的慢化劑和冷卻劑，同核裂變一樣，核聚變?cè)诰圩兊倪^程中，不僅會(huì)釋放中子輻射，也需要使用慢化劑和冷卻劑對(duì)等離子體約束，如水、氣體、液態(tài)金屬或融鹽等，確定所需的循環(huán)系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)。選擇合適的控制系統(tǒng)，如控制棒、中子吸收材料或電磁場(chǎng)等，確定所需的反應(yīng)控制和安全保護(hù)系統(tǒng)。選擇合適的發(fā)電系統(tǒng)，如蒸汽渦輪機(jī)、熱電轉(zhuǎn)換器或直接轉(zhuǎn)換器等，確定所需的能量轉(zhuǎn)換和輸送系統(tǒng)。建造反應(yīng)堆并輸入燃料，啟動(dòng)并維持核聚變反應(yīng)，調(diào)節(jié)反應(yīng)速率和輸出功率。

控核聚變技術(shù)對(duì)人類文明有重大的意義，因?yàn)樗梢蕴峁┣鍧?、安全、充足和可持續(xù)的能源，解決人類面臨的能源危機(jī)和環(huán)境問題?？煽睾司圩兿啾群肆炎冇泻芏鄡?yōu)勢(shì)，例如，沒有放射性廢料、沒有溫室氣體排放、沒有核泄漏風(fēng)險(xiǎn)、沒有核擴(kuò)散危險(xiǎn)等。可控核聚變也可以推動(dòng)科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展，創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

然而，可控核聚變技術(shù)也面臨著很多挑戰(zhàn)和困難，例如，如何實(shí)現(xiàn)能量?jī)粼鲆妗⑷绾尾东@和利用中子能量、如何抑制等離子體不穩(wěn)定性、如何選擇合適的材料和設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)等。

國(guó)際ITER項(xiàng)目

目前，全球有多個(gè)國(guó)家和組織正在進(jìn)行可控核聚變的研究和實(shí)驗(yàn)，其中最著名的是國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）項(xiàng)目，它是一個(gè)由七個(gè)國(guó)家聯(lián)合建設(shè)和運(yùn)行的大型托卡馬克裝置，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)氘-氚聚變反應(yīng)的能量?jī)粼鲆妗?/p>

ITER項(xiàng)目是一個(gè)由中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)七個(gè)國(guó)家聯(lián)合建設(shè)和運(yùn)行的大型托卡馬克裝置，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)氘-氚聚變反應(yīng)的能量?jī)粼鲆妗?根據(jù)ITER計(jì)劃此前發(fā)表的公報(bào)，有望在2025年首次開機(jī)產(chǎn)生第一炮等離子體，氘氚聚變實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)于2035年開始。

ITER項(xiàng)目目前正在法國(guó)進(jìn)行建設(shè)，已經(jīng)完成了約75%的工程進(jìn)度。 項(xiàng)目的核心部件包括真空室、超導(dǎo)磁體、中子屏蔽、熱負(fù)荷第一壁等，由各參與國(guó)按照分工提供。 我國(guó)作為參與國(guó)之一，在其中承擔(dān)了10%的核心部件和20%的輔助系統(tǒng)的制造任務(wù)。

東方超環(huán)

我國(guó)發(fā)展核聚變技術(shù)至今，已經(jīng)進(jìn)入到了世界頂級(jí)水平陣列中，東方超環(huán)是目前探索和解決未來(lái)聚變反應(yīng)堆工程和物理問題的最有效的途徑之一。我國(guó)在2006年建成了世界上第一個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置——EAST，也被稱為“人造太陽(yáng)”。

EAST裝置在國(guó)際上具有先進(jìn)的技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)世界紀(jì)錄，如1.2億度101秒等離子體運(yùn)行、1.6億度20秒等離子體運(yùn)行、1056秒長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行等。

CFERT與ARC

EAST裝置為我國(guó)參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）項(xiàng)目和自主建造聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）提供了重要的科學(xué)技術(shù)支持。根據(jù)專家的介紹：我國(guó)的（CFETR）項(xiàng)目要比美國(guó)麻省理工的（ARC）更大更強(qiáng)，因?yàn)槲覀冎鲗?dǎo)的CFETR更大更強(qiáng)，并且可以持續(xù)穩(wěn)定長(zhǎng)效的高脈沖增益輸出。

事實(shí)上，我們一旦實(shí)現(xiàn)了可控核聚變技術(shù)，建造了核聚變聚變堆，然后成功發(fā)電并網(wǎng)，那你就會(huì)發(fā)現(xiàn)世界將會(huì)煥然一新，一切能源都會(huì)變成免費(fèi)。當(dāng)然了我們當(dāng)下面臨的問題還有很多很多。

實(shí)現(xiàn)核聚變的商用過程，依舊是艱難和復(fù)雜的。尤其是如何在極高的溫度，1億度以上，使核聚變的過程能夠長(zhǎng)期的保持，這是一個(gè)巨大的難題，等離子體持續(xù)存在的時(shí)間越長(zhǎng)，能量釋放的就會(huì)越多，持續(xù)時(shí)間的越短，產(chǎn)生的能量就會(huì)越少。

中子輻射

在核聚變的過程中，需要面臨的不僅僅是環(huán)境問題，還有就是中子輻射，由于中子不帶電，可以貫穿一切物質(zhì)，中子輻射就發(fā)生于聚變的過程，這對(duì)于參與聚變的操作人員的健康有著一定的威脅。

本文總結(jié)

其次還有一點(diǎn)要提的就是，人類初期的核聚變技術(shù)，投入將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)果，比如正常的聚變，一升海水可以產(chǎn)生300升汽油的能量，但是在初期，一升的海水可能只會(huì)產(chǎn)生100升汽油的能量，這是因?yàn)槿绻麩o(wú)法持續(xù)的穩(wěn)定聚變的環(huán)境，那么就會(huì)有大量的聚變材料，遭受到損壞。

因此想要實(shí)現(xiàn)可控核聚變技術(shù)，并且使其商業(yè)化，人類還有很長(zhǎng)的路要走。最后祝福我們的科學(xué)家再次創(chuàng)造記錄，期待我們自己的聚變堆能夠早日建成。

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