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太阳的核聚变

时间:2019-11-14 21:41 来源:jslgpump.com 作者:利工集团 点击:

我觉得我们比太阳要聪明。

太阳做了什么?它是一个巨大的等离子体球,主要由氢和氦组成。它时不时地把氢气喷入一次日冕物质喷射中。然而,太阳已经掌握了一种我们还无法掌握的能量形式:聚变。看到太阳,坐在那里,毫不费力地做着我们最优秀的头脑苦苦挣扎了半个世纪的事情,真让人恼火。

为什么我们做不到核聚变?我们还有多久才能在技术上赶上那个电离气体球?

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图解:充满活力而灿烂的太阳。摄制:NASA/SDO.

太阳通过核聚变产生能量的诀窍来自于它巨大的质量。太阳含有1.989 x 10^30千克的氢和氦,它们向内挤压,形成一个温度达到1500万摄氏度的核心,其密度是水的150倍。

太阳在这个核心中将氢原子融合成氦原子,这个聚变过程是个放热反应,这意味着每形成新的氦原子,都会以伽马辐射的形式释放出光子。

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太阳利用这种能量的唯一原因是利用光压来抵消将所有物质向内挤压的重力。光子慢慢穿过太阳释放到太空中,太浪费了。

收集太阳在地球上的氢质量是一种选择,但这有些不切实际。我们把它放在哪里呢?更好的方案是利用我们的技术来模拟太阳核心的条件。

如果我们能制造一个温度和压力足以让氢原子融合成氦原子的聚变反应堆,我们就可以利用这些伽马辐射形式的光子了。

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图解:托卡马克的内部。摄制:普林斯顿大学等离子体物理实验室

为此开发的主要技术称为托卡马克反应堆;这是一个基于俄罗斯的缩写:“带磁线圈的环形腔”,第一个原型是在20世纪60年代创建的。有许多不同的反应堆在开发中,但方法基本相同。

在真空室中充满氢燃料,然后,大量的电通过燃烧室,把氢加热成等离子体状态。也可能使用激光和其他方法使等离子体温度达到1.5到3亿摄氏度(比太阳核心温度高10到20倍)。

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超导磁体围绕着聚变室,控制等离子体使其远离室壁,否则会将其熔化。

一旦温度和压力足够高,氢原子就会像在太阳中一样被压成氦。这会释放光子来加热等离子体,使得反应在没有其他能量输入的情况下得以维持。

多余的热量到达燃烧室壁,可以抽出来进行工作。

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图解:位于库勒姆聚变能中心(英国)的球形托卡马克。图片:CCFE

一直以来我们面临的挑战是,加热燃烧室和限制等离子体所消耗的能量比反应堆产生的能量还要多。我们可以使反应堆工作,但是还不能从中提取多余的能量。

与其他形式的能源生产相比,聚变是清洁和安全的。燃料来源是水,副产品是氦气(世界实际上已经开始快要耗尽了)。如果反应堆有问题,它会冷却,聚变反应会停止。

然而,在聚变反应中释放的高能光子将是一个棘手的问题。它们会流进周围的聚变反应堆,使整个反应堆具有放射性。核聚变室的放射性在50年内将是致命的,但其快速的半衰期将使其在500年后具有和煤灰一样的放射性。

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图解:普林斯顿托卡马克核聚变试验堆(1982年至1997年运行)的外部视图。摄制:普林斯顿等离子体物理实验室(CC by 3.0)

现在你知道什么是核聚变能,它是如何工作的,当前的状态是什么,还有核聚变电站给我们无限的廉价安全能源还要多久,如果有的话?

聚变实验是通过它们产生的能量与你输入它们的能量之比来测量的。例如,如果一个核聚变电站需要100兆瓦的电能来产生10兆瓦的输出,那么它的能量比将为0.1。你至少想要1的比率。这意味着能量输入等于能量输出,到目前为止,还没有实验达到这个比例。但我们正在接近。

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图解:东方托卡马克反应堆,是合肥物理科学研究所的一部分。摄制:ipp.cas

中国建造实验性的先进超导托卡马克,即东方。2016年,工程师们报告说,他们已经运行了102秒,温度达到了5000万摄氏度。如果真是这样,这是一个巨大的进步,使中国在创造稳定核聚变的竞赛中领先。尽管如此,这还没有得到独立的验证,他们只发表了一篇关于里程碑的科学论文。

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德国卡尔斯鲁厄技术研究所(KIT)的研究人员宣布,他们的Wendelstein 7-X(W7X)恒星发生器(我喜欢这个名字)将氢气加热到8000万摄氏度,仅持续了四分之一秒。温度很高但时间很短。恒星发生器的工作原理不同于托卡马克。它使用扭曲的环和外部磁铁来限制等离子体,知道我们有更多的选择是一件好事

目前世界上最大、最精细的聚变实验是在欧洲的法国卡达拉奇研究中心进行的。它被称为ITER,即国际热核实验反应堆,它希望能超越这个神奇的比率。。

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图解:ITER托卡马克聚变反应堆。摄制:ITER,Illus。T.雷耶斯

ITER十分巨大,直径30米,高度30米。巨大的聚变室使它能够产生一个自我维持的聚变反应。熔化的氢释放的能量使燃料保持足够的高温以维持反应。运行含有等离子体的电磁铁仍然需要能量,但不能保持等离子体的高温

如果一切顺利,ITER的比率将为10。换句话说,每泵入10兆瓦的能量,它将产生100兆瓦的可用功率。

ITER仍在建设中,截至2015年6月,总建设成本已达140亿美元。该设施预计将于2021年完工,第一次核聚变试验将于2025年开始。

所以,如果ITER按计划工作,我们现在离核聚变产生的正能量输出还有8年。当然,ITER将只是一个实验,而不是一个实际的动力装置,所以如果它能工作,一个实际的基于聚变的能源网将是几十年后投入使用。

在这一点上,我想说,我们离证明自我维持的聚变反应产生比消耗更多的能量是可行的还有大约十年。再过20年,他们就可以向电网供电了。到那时,我们的太阳需要找到一份新工作。

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