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受控核聚变实验走了多远

放大字体  缩小字体 中国核电网  | 发表于:2017-01-10 | 来源:北京日报

新闻背景

去年底传出消息,我国受控核聚变研究获得重大突破,中国物理学家创造了一项世界纪录,制造出比太阳中心温度还要高的氢等离子体,并且稳定燃烧了1分多钟。

受控核聚变是人类获取能源的梦想,它的研究已经进行了几十年,真正获得商业成功可能还需要付出几十年的努力。那么,人类为此走过了哪些路?

“点火”需几千万至上亿摄氏度

核聚变可以释放出巨大的能量,这个事情人们在上世纪30年代就发现了。

上世纪50年代氢弹研制成功,人们也实实在在地了解了核聚变爆发出的巨大能量。

核聚变的发生是十分困难的。原子核都带正电互相排斥,只有当两个原子核之间的距离非常接近,大约相距只有万亿分之三毫米时,它们的吸引力才大于静电斥力,两个原子核才可能聚合到一起同时放出巨大的能量。因此,首先必须使聚变物质处于等离子状态,也就是让外层电子脱离原子核的吸引而形成自由电子,让聚变物质(通常为氘和氚)的原子核完全裸露出来。然而,两个带正电的原子核越互相接近,它们之间的静电斥力也越大。只有当带正电的原子核达到足够高的动能时,需要几千万甚至几亿摄氏度的高温,它们的碰撞才有机会使二者非常接近,以致产生聚合。

氢弹中产生的核聚变,是利用原子弹点火的聚变反应装置。在原子弹中放入热核燃料,当原子弹爆炸时,在火球区的中央便产生几百万到一亿摄氏度的高温,达到了热核燃料的点火温度。就在火球还来不及扩散的瞬间,使部分热核燃料产生热核反应,核聚变就发生了。可惜,用这种方式获得的热核能是人们难以控制的,而我们需要的是“受控”的热核反应。

用“磁瓶”约束等离子体

科学家们提出了这样一个思路——

假想有这样一个“瓶子反应器”:假定它可以耐一亿摄氏度以上的高温,能承受数千万个大气压力,并假定有一种加热用的“火”可使“瓶子反应器”从室温逐步上升到几千万摄氏度的高温。“瓶子”里充入氘和氚混合气体后,用这种“火”慢慢加热。当温度上升到1000万摄氏度,氘、氚核的平均飞行速度达到每秒300公里,此时等离子体的压力为1000万个大气压以上。在这种条件下,通过氘和氚核相互碰撞,会有一部分核发生聚变反应。随着温度的继续升高,反应器内的聚变速度也将增加。

当“瓶子”的温度达到某一个界限,即释能的速度超过辐射能量损失的速度时,我们把加热“瓶子”用的“火”拿走,核聚变反应也能自持下去。这个温度界限,就叫“临界点火温度”。

在普通人工所能建造的反应器规模下,氘-氚聚变反应的临界点火温度为数千万到一亿摄氏度;而氘-氘反应的临界点火温度为一亿至数亿摄氏度。

当然,不可能有任何实际的固体容器能做这种“瓶子”,因为温度在4万摄氏度以上时,现有的任何耐火材料都会熔化。

为此,科学家们想出了一种非常奇妙的方法:用磁场来约束等离子体,或者说,把等离子体放在一种特殊的“磁瓶”里。“磁瓶”是一种看不见的用磁场构成的“瓶子”,由于磁场不是由分子、原子构成的实体,所以没有什么熔化和温度高低的问题。

“托卡马克”装置脱颖而出

然而,事情并没有这么简单:磁场能约束等离子体,而等离子体反过来会削弱磁场。当等离子体的密度增加到一定的程度,外磁场会被完全抵消。某种强度的磁场只能约束一定密度和一定温度的等离子体。要想建一个“磁瓶”,让核聚变稳定在里面发生,又是谈何容易。

科学家们想出了各种各样的方案来建这个“磁瓶”,而一种叫做托卡马克的装置,在这些方案中脱颖而出。

上世纪50年代初,苏联物理学家塔姆萨哈罗夫提出,在环形等离子体中通过大电流感应产生的极向磁场跟很强的环向磁场结合起来,便可能实现等离子体平衡位形。莫斯科的库尔恰托夫研究所在阿齐莫维奇领导下开展了此项实验研究。他们将这种装置叫做托卡马克(Tokamak)。这个词是由俄语“环形、真空室、磁、线圈”的词头组成。托卡马克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,托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场,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。

1968年,在苏联诺沃西比尔斯克召开的等离子体物理和受控核聚变研究第三届国际会议上,阿齐莫维奇发表的在托卡马克装置上取得的最新实验结果引起了轰动。于是,世界范围内便很快掀起了研究托卡马克的热潮。

各国不断传出好消息

各国在托卡马克装置上的核聚变研究,不断取得令人鼓舞的进展。

1991年11月9日,欧共体的JET托卡马克装置成功地实现了核聚变史上第一次氘-氚运行实验,在氘氚6比1的混合燃料中,等离子体温度达到3亿摄氏度,核聚变反应持续了2秒钟,获得的聚变输出功率为0.17万千瓦,能量增益因子Q(即输出能量与输入能量之比,Q大于1时,有增益能量输出)值达0.11-0.12。

1993年12月9日和10日,美国在TFTR装置上使用氘、氚各50%的混合燃料,使温度达到3亿至4亿摄氏度,两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万千瓦,能量增益因子Q值达0.28。

1997年9月22日,联合欧洲环JET又创造输出功率为1.29万千瓦的世界纪录,能量增益因子Q值达0.60,持续时间2秒。

1997年12月,日本宣布,在JT-60上成功进行了氘-氘反应实验,换算到氘-氚反应,Q值可以达到1.00。后来,Q值又超过了1.25,首次实现输出能量大于输入能量。

近年来,我国在受控核聚变研究上也取得长足进展。2016年11月2日消息,中国科学院合肥物质科学研究院等离子体所承担的国家大科学工程“人造太阳”实验装置EAST在第11轮物理实验中再获重大突破,获得超过60秒的稳态高约束模等离子体放电。EAST因此成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。

ITER计划值得期待

1985年,时任美国总统里根和苏联领导人戈尔巴乔夫,在一次首脑会议上倡议开展一个核聚变研究的国际合作计划。1987年春,国际原子能机构总干事邀请欧共体、日本、美国和加拿大、苏联的代表在维也纳开会,讨论加强核聚变研究的国际合作问题,并达成了协议,四方合作设计建造国际热核实验堆。

1998年,美国退出ITER计划。我国从2003年正式加入ITER计划谈判。同期,美国重返ITER计划。直到2007年,由中、欧、日、韩、俄、美6方组成的ITER国际组织正式成立(印度后来加入)。

ITER设计总聚变功率将达到50万千瓦,是一个电站规模的实验反应堆。其作用和任务是,用具有电站规模的实验堆证明氘氚等离子体的受控点火和持续燃烧,验证聚变反应堆系统的工程可行性,综合测试聚变发电所需的高热流与核部件,实现稳态运行。

ITER场址设在法国南部埃克斯以北的卡达哈什。2008年,ITER装置进入实地建造阶段。它占地180公顷,共由39栋建筑组成,实验堆主体直径28米,高30米,聚变功率相当于50万千瓦电站的核反应堆。按当前计划,ITER装置预计2019年基本建成,预计2027年开展氘氚聚变实验。

国际核聚变界对ITER计划及其后聚变能源发展比较普遍的看法是,建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备;再经过示范堆、商业聚变核电站(商用堆)两个阶段,聚变能商业化将在本世纪中叶或者稍晚实现。

 
关键词: 核电 核聚变
 
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