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核聚变反应堆一定庞大和昂贵?未来可能不是这样

来源:科学大院 编辑:admin 时间:2019-08-13
导读: 可控核聚变,可以带来清洁和近乎无限的能源供应,一直都被寄予“解决全球能源问题”的期望。但是,人类奋斗了几十年,商用核聚变能源还是离我们很遥远。这是为什么? 可控核聚变(图片来源:https://bbs.tiexue.net/post2_13456570_1.html) 除了技术上的种种难度,成

  可控核聚变,可以带来清洁和近乎无限的能源供应,一直都被寄予“解决全球能源问题”的期望。但是,人类奋斗了几十年,商用核聚变能源还是离我们很遥远。这是为什么?

可控核聚变(图片来源:https://bbs.tiexue.net/post2_13456570_1.html)可控核聚变(图片来源:https://bbs.tiexue.net/post2_13456570_1.html)

  除了技术上的种种难度,成本问题也是不容忽视的。在法国南部建造的国际热核聚变实验堆(ITER)很庞大,高29米,直径28米,重2300吨。2011年5月,预算测算已经涨至大约160亿欧元,建设成本几乎是最初估计的4倍。

  未来的聚变堆能否不再庞大和昂贵?核聚变未来的发展方向是什么?也许是更强的磁场。

  什么是核聚变?

  太阳的能量来自核聚变反应。根据爱因斯坦的质能关系E=mc2,质量损失,可释放出巨大能量。平均一克氘氚核聚变燃料产生的能量相当于燃烧8吨汽油的能量。

 核聚变原理(图片来源:http://pic.baike.soso.com/p/20140610/20140610164054-835258347.jpg) 核聚变原理(图片来源:http://pic.baike.soso.com/p/20140610/20140610164054-835258347.jpg)

  聚变能燃料丰富。海水中含有大量的核聚变燃料——氢的同位素“氘”。一升海水中含30毫克氘,所含的氘完全聚变所释放的能量相当于燃料340升汽油的能量。海水中氘的总量约40万亿吨。按目前世界消耗的能源计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年[1]。

  聚变能清洁、安全。核聚变不产生直接放射性核废料,产物是不具有放射性的氦气,具有固有的安全性;不产生二氧化碳等大气污染物;非常容易通过熄灭等离子体的方法快速终止核聚变反应,不存在反应失控的危险。因此,核聚变是解决人类能源危机,战胜环境污染问题的重要途径。

  但是,可控核聚变的难点,在于两个问题。一,如何将聚变材料加热到上亿度的高温?二,用什么容器来装温度这么高的聚变材料?

  对于第二个问题,目前的主流方法是把聚变燃料做成等离子体(原子核和电子分离,都可以自由流动),用超强磁场约束等离子体,让它们悬空高速旋转,不跟容器直接接触。

未来以聚变堆为核心建造GW量级的大型发电站(图片来源:[2] )未来以聚变堆为核心建造GW量级的大型发电站(图片来源:[2] )

  托卡马克: 甜甜圈实现核聚变

  托卡马克装置利用螺旋形磁场约束高温等离子体,使其不与装置的内壁直接接触,实现核聚变反应,被称为“人造太阳”,是人类最有希望实现聚变能和平利用的科学途径。

粉红色的区域是托卡马克里的等离子体,类似一个甜甜圈的形状。(图片来源:http://www1.cfi.lu.lv/teor/main.html)粉红色的区域是托卡马克里的等离子体,类似一个甜甜圈的形状。(图片来源:http://www1.cfi.lu.lv/teor/main.html)

  人类探索受控核聚变始于上世纪50年代。自从前苏联发明了托卡马克,磁约束核聚变研究便进入了高歌猛进的时代。大家都知道个人电脑CPU芯片的更新速度很快,但大家并不知道,近50年,托卡马克等离子体的性能提升速度比CPU芯片还要快。
       

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