机械社区

 找回密码
 立即注册

扫一扫,访问微社区

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索
机械社区 门户资讯 能源储能 查看内容

核聚变技术 能源危机或就可以化解

2017-7-17 14:23| 发布者: 蛤蟆要起飞| 查看: 123| 评论: 1|来自: 国际能源网

摘要: 最近有一条新闻,引起了能源行业不大不小的震动——中国“人造太阳”再创世界纪录。这一新闻的主要内容是,“我国的超导托卡马克实验装置EAST(东方超环)在全球首次实现了上百秒的稳态高约束运行模式”,为人类开发利 ...
   最近有一条新闻,引起了能源行业不大不小的震动——中国“人造太阳”再创世界纪录。这一新闻的主要内容是,“我国的超导托卡马克实验装置EAST(东方超环)在全球首次实现了上百秒的稳态高约束运行模式”,为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。

而且新闻里提到:如果人类掌握了可控的核聚变技术,目前的能源危机就可以化解!

这到底是一个怎样的技术,竟然敢放大话解决人类能源问题呢?

氢弹引来的可控核聚变

核电对于现代社会来说并不陌生,自20世纪50年代问世以来,以其清洁、高效等因素得到世界主要经济体的青睐。但不得不承认的是,核裂变发电因为各种原因,并不能成为人类能源的究极形态,科技界早在氢弹试验时就已经认识到了这一点,并开始着手研究核聚变技术,以便为人类提供永续能源。

在一般的条件下,核聚变是不会发生的。但在太阳中心,1500万度的高温和2000亿个大气压的高压下,氢就可以聚变成氦了。这样的反应已经进行了46亿年,向外发出了巨大的能量。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,而在地球上不可能存在1500万度的高温和2000亿个大气压的高压,因此要发生聚变,温度就只能更高,达到上亿度。

目前已知的核聚变反应只有氢弹爆炸这一种形式,科学家们希望发明一种装置,可以有效控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定的输出,这就是可控核聚变。

“核聚变一旦像裂变一样实现商用发电,将是颠覆世界的革命性成功,人类在能源利用上很可能再也不用精打细算了。”中国国际核聚变能源计划执行中心副主任孙键说,“对核聚变持积极态度的科学家认为,核聚变这棵科技之树的果子格外好吃,种植难度大也在情理之中。”

可控核聚变相比于目前的核电站来说有三个显而易见的优势:原料易得,核聚变的原料是重水,可以直接从海水中提炼,并且地球中储量极大;核聚变的过程及其产物均不会对环境造成污染,亦不会造成核泄漏的危害;聚变的效率要高于裂变,效率比大概是,氘:铀:原油=1:6:1千万。

但想要通过此反应制造出真正能够为人类所用能源,人类还必须面对两大难题。

相对而言,核裂变需要的反应条件很弱,天然的铀矿在常温的自然条件下就可以发生衰变。但是相比于核裂变过程来讲,核聚变最麻烦的反应条件就是——需要瞬间上亿度的高温才能引起核聚变反应。而如此高的温度是用传统加热方法所无法达到的。人类研制氢弹时,对于该问题给出了以下解决方案:用核弹引爆氢弹!即通过核弹引爆得到达到核聚变反应的温度,从而引起核聚变使得氢弹爆炸,因此氢弹内部是有一个小型核弹的。问题的关键来了,为了核聚变发电,人类难道要一直用原子弹来做引子么?这个代价显然太高。

因此,研究可控核聚变的难点在于,怎么将核聚变的原料加热到这么高的温度?将核聚变的原料加热到这么高的温度以后拿什么来装它?101.2秒创造了什么记录?

上亿度的物质足够烧毁任何与其相接触的东西,那么就算能将这些反应燃料点燃,又能拿什么来盛放它?“超导托卡马克”装置的研制就是为了实现能将上亿度的物质存放于其中的目的。具体的基本原理在高中物理课本就有提到,是通过将这些物质约束在一个密闭的环中使其高速旋转,来将其固定在一个密闭的空间中,从而实现了变相的盛放。

而中国研制的“盛放”该物质的超导托卡马克装置就是EAST。

EAST全称Experimental Advangced Superconducting Tokamak,是由中国科学家独立设计建造的世界首个全超导核聚变实验装置,位于安徽合肥的等离子物理研究所,于2007年通过国家验收。EAST是一个实验堆,主要目的在于研究等离子体稳态约束的实验可行性,为未来能发电的示范堆建设积累经验与数据,

高约束模是未来ITER(ITER计划由美、法等国在20世纪80年代中期发起,旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆,为人类输送巨大的清洁能量)的基本运行模式,为实现稳态运行并达到有效的偏滤器热量排除,ITER将采用射频波主导的低动量注入运行模式以及主动水冷的钨偏滤器结构。EAST是目前世界上唯一具备这两大特色的且具有长脉冲运行能力的全超导托卡马克。

要稳定地利用核聚变必须首先满足两个条件。一是把氚或氘的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度,二是至少持续1000秒以达到持续反应。此次,EAST在世界上首次实现了5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行,实现了从60秒到百秒量级的跨越,其稳态运行模式将为ITER和未来反应堆提供重要参考。

EAST(先进超导托卡马克实验装置)大科学工程管理委员会副主任罗广南教授说,先前的一些聚变实验持续了100多秒,但它们就像“骑一匹烈马”,难以控制不稳定的等离子体。不过,EAST上进行的实验更像是一次盛装舞步表演,处在被极强电磁场屏蔽的一个环形室中的等离子体被控制在一种高效稳定态H-mode(高约束模式)。“这是一次具有里程碑意义的事件,它增强了人类利用核聚变能的信心。”

但与此同时,有人认为,上百秒的持续放电,意义可能并没有那么大。聚变能否实现的标准是Lauson criterion。即密度、温度、约束时间三者的乘积要大于一个固定的数值,其他两项无法达到一定的数值,单独谈约束时间没有太大的意义。

“一步之遥”的能源共产主义

可控核聚变什么时候能实现?有个笑话是“永远还需25年”。有人估计是2050年,但这也仅仅只是猜测,因此可控核聚变的实现被戏称为“一步之遥”。目前,人类所能做的就是多试验、多投入,多积累经验,为今后的成功积累量变。

相比于以往,EAST101.2秒持续放电确实创造了新的世界纪录;但对于可控核聚变的终极目标来说,这一纪录只能说是微不足道。为什么如此说呢?101.2秒的持续放电时间仍远远达不到使这项技术商业化所需的持续时间——以几十年而非几分钟计。

而约束时间只是可控核聚变实现过程中的一个难点,其他的难点还包括物理理论、物理实验、工程和经济等多个方面因素。以其中最容易实现的经济难点来说,经过数十年的研发与实验,曾创造了众多世界纪录的美国麻省理工学院Alcator C-Mod托卡马克聚变堆由于美国联邦财政府削减预算,在2016年9月正式关停,尽管在其运转的最后一天还创造了一项世界纪录——最高等离子体压强。

另一方面,从物理实验方面来看,世界各地虽然已经建立了许多聚变实验装置,其中最大设施——法国的国际热核聚变实验反应堆(ITER)预计将在2025年点火,产生第一束等离子体。但这些设备相对简单,都不能把聚变能变成电能。

庆幸的是,EAST所创造的约束时间世界纪录将有助于加快政府批准建设世界第一座核聚变电站——拟建的中国聚变工程试验堆(CFETR)——的速度,中国在合肥启动强流氘氚聚变中子源(HINEG),目标是用核聚变技术生成世界最强的中子束。CFETR计划在2030年投入运转,最初的发电量为200兆瓦,在随后10年把发电量提升至1千兆瓦左右,超过大亚湾所有商业裂变反应堆的发电量。

虽然,实现可控核聚变的时间点还无法预料,但这并不妨碍人们对它的热情。因为它的实现,意味着人类将真正接近共产主义。

想象一下,可控核聚变实现之后,人类理论上获得了几乎无限的负熵流,即使技术层次上没有再度发生质变,也可以近乎永远的生存下去,衣食住行将不再成为问题。甚至我们可以通过暴力倾泻能量的方式解决很多以前根本无法有效应对的问题,比如水资源匮乏,比如环境污染,比如气候寒冷不适宜居住,比如……很多疯狂的计划都可以轻易实现。

而且,如果能够实现可控核聚变,航天推进技术就有可能发生质的变化。钱学森在几十年前就指出,有了可控核聚变,宇宙飞船的航行速度将会大大提高,恒星系内航行将变得很容易。人类将会成为真正的第四级文明,会开始建设恒星际飞船,即使是一去无回,但可控核聚变技术使得生态自循环系统成为可能,飞船能够自我维持上万年,有人探测器将会一代代的出发,飞向茫茫星空。

如果这样的话,星空绝对不是现今看起来那么寂静。

发表评论

最新评论

引用 激流中的坚冰 2017-7-17 23:22
2002年的时候,已经可以持续47s

查看全部评论(1)

关闭

重要通告上一条 /1 下一条

 
 



工作时间:
9:00-17:00
 

小黑屋|手机版|Archiver|中国机械社区 ( 京ICP备10217105号,京ICP证050210号,京公网安备11010802010176 )  

GMT+8, 2017-9-21 00:16 , Processed in 0.092932 second(s), 8 queries , Gzip On, Memcache On.

Powered by Discuz! X3.2 Licensed

© 2001-2013 Comsenz Inc.

返回顶部