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    人造太阳!美取得突破进展,我国在核聚变蛰伏多年,仍技不如人?
    发布日期:2023-01-21 11:48    点击次数:109

    >据多家媒体报道,美国科研工作者在核聚变领域取得了重大成果,美国能源部计划在12月13日将这一突破性成果对外宣布。该消息经西方媒体添油加醋式的报道后很快就成了“美国在核聚变领域碾压其他各国,包括最近几年在“人造太阳”项目上建树颇多的中国”,真是这样吗?

    美国的这次核聚变究竟是怎么一回事?

    核聚变的原理在高中物理课本就有所提及,指的是当两个较小质量的原子结合成一个较大质量的原子时会释放出巨大能量,理论上几克反应物可释放出1万亿焦耳的能量。

    相比核裂变,核聚变不产生核废料,也不产生二氧化碳,产生的辐射也很少!而且核聚变发生的原料氢(H) 、氘(D)和氚(T)比核裂变原料铀235要丰富得多,所以实现可控的核聚变早就成了科学家的研究目标。

    美国为实现可控核聚变在加利福尼亚州投入35亿美元建了一个激光聚变装置,名字叫“国家点火装置”(NIF),研制单位为劳伦斯·利弗莫尔国家实验室。

    回到这次核聚变实验。据知情人透露,美国研究人员将氢燃料的颗粒发射至近200个激光器阵列中,以1秒50次的速度反复操作,最终引发核聚变。

    按照美国研究人员的说法实验首次实现了“净能量增益”,简单地讲产出的能量大于输入的能量,实现了“盈余”,即引爆核聚变的激光消耗了2.1兆焦耳能量,核聚变释放了2.5兆焦耳能量,而就在2021年8月8日的实验中产出能量仅占到输入能量的80%。

    美国的核聚变与我国的人造太阳有什么不同?

    美国的这次核聚变实验经媒体报道后引发了广泛关注,有部分学者认为该实验结果意味着人类朝着零碳排放、无限清洁能源迈出了关键一步。当然,也有人借此讽刺中国的人造太阳“不入流”。

    事实上,美国这次核聚变并不像报道的那么完美。实验发生后高于预期的输出能量导致一些诊断设备损坏,整体实验数据仍在分析统计中,结果尚未最终确认。英国《金融时报》也持类似观点,认为在分析结果完成之前所有的信息都是不确定的。

    再者实验结果距离可控核聚变仍有较大的距离,比如美国研究人员力推的“燃料等离子体”,理论上通过反应本身产生的热量引发核聚变,而不再依靠激光能量输出,问题是理论与实践还存在较大的偏差;再比如怎样实现设备小型化,要知道国家点火装置中的装置占地达3个足球场大小,密密麻麻的设备看得人眼花缭乱。

    但将美国的这次核聚变实验与我国的人造太阳作比较,那有些强人所难,因为他们走的就不是一条路。

    美国的国家点火装置是将外部激光增强10000倍,然后将其中一束激光分离为48束激光,再增强、分离出192束激光,这时的激光总能量暴增到3000万亿倍;然后将其轰击一个直径为1-3毫米的氘氚小丸上,最终在1亿度的高温、1000亿个大气压的压力下引发核聚,进而释放出巨大能量。

    咱们中国的人造太阳采用的是托卡马克装置,这一种磁约束来实现受控核聚变的环形容器,环形、真空室、磁、线圈等几部分构成,通电后托卡马克的内部产生巨大的螺旋型磁场,通过将等离子体加热到超过温度最终实现核聚变。上世纪50年代苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的研究人员将其发明后又在其他国家得到发展,目前是实现可控核聚变的重要途径之一。

    采用托卡马克方案的还有韩国KSTAR、国际热核聚变实验反应堆和我国的东方超环,其中国际热核聚变实验反应堆由欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国共同组建,预计总投资将达到几百亿美元。

    我国的“人造太阳”走在世界前列,有自己的独特构想

    除了安徽合肥东方超环外,我国还有人造太阳项目位于成都的中国的环流器1号,两个侧重点不同,前者是研究等离子体约束时间,后者是研究高温度、高密度等离子体参数。

    此外,我国在托卡马克研究中提出了自己的方案,传统的托卡马克在用磁场约束极端高温的氘氚等离子体时需要对等离子体持续加热,且要长时间约束,整体而言结构也不简单、难度也不小。

    我国研究人员提出了Z-FFR聚变堆的构想,这是一种聚变和裂变反应堆结构的混合堆,其中裂变占反应堆能量的95%,聚变占5%,混合堆也可使用核废料作原料实现聚变应用。

    正靠着咱们科学家的奋发研究,近年我国“人造太阳”取得了傲人成绩,综合水平已达到世界领先水平。土豆梳理了一下最近几年的成功,大致如下。

    2021年5月安徽合肥东方超环实现了1.2亿度101秒等离子体运行及1.6亿度20秒等离子体运行,重点是两次实验均可按照操作规范重复运行。2021年12月又实现了1056秒长脉冲高参数等离子体运行,打破了之前保持的411秒最长放电纪录。

    别小看时间只有几十秒、几分钟,实现它难度极大,同样致力于托马斯装置研究的韩国早在2020年就在1亿摄氏度实现了20多秒等离子体运行,但也就止步于此,再也未获得较大突破。

    更令人高兴的是,我国很有可能在2028年实现核聚变并网发电,该消息出现在《南华早报》的一篇文章中,称相关部门已经批准建设最新的脉冲驱动器,该脉冲驱动器无疑是世界上最大的一个。

    原创:土豆



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