|
自人类进入工业化时代，对能源的需求就越来越大，特别是近年发生俄乌冲突之后，能源危机已经日趋明显，而我们也知道，地球上的能源并不是无穷无尽。目前世界上煤炭的储量已经消耗大半，仅剩的储量只够我们使用300年到400年，石油能源已经日近枯竭。  据推测最多还能开采50年，而现在流行的核电中必须的浓缩铀储量也只能使用100年，所以世界各国开始着眼于可持续再生的能源开发，风能、水能、太阳能应运而生，但从供需关系来看，目前已成功开发的这些可再生能源还是不能满足人类的需求，因此核聚变能量的研发越来越受到各国的青睐。  什么是核聚变能量随着地球上能源危机的日益加剧，很长时间以前，人们就开始关注，为什么太阳能够持续不断地放出那么巨大的能量，它究竟烧的是什么燃料呢？ 经过科学家长期不懈的研究和探索，人们终于知道太阳中的巨大能量来源于核聚变，其实不只是太阳，宇宙中的恒星的主要能源基本都是来自于核聚变。  那么核聚变究竟是如何发生的呢？核聚变的燃料主要是氢、氘和氚。他们是同位素，其原子结构相同，都是一个电子围绕着一个原子核转，只是原子核的组成不同。 氢的原子核中只有一个质子，而氘和氚的原子核与氢的原子核相比，却分别多了1个和2个中子，他们可以作为核聚变反应的原材料，在足够高的温度下（上亿度），将原子量较轻的原子核聚合成较重的原子核，这个过程可以释放大量的能量，整个过程被称之为核聚变反应。  欲实现核聚变发电，首先遇到的难题是如何达到点火温度的问题。核燃料要被点燃，其燃点高达上亿度，而我们平时使用的天然气、木柴、煤炭等燃料的点火温度只有几百度，显然日常常见的材料是不能达到其点火温度的。怎样才能达到上亿度的高温？激光技术开阔了人们的眼界，很快被设想为核燃料的“点火器”。  目前的激光技术，已经发展到这样的程度：一束强激光比太阳光还要亮一亿亿倍以上。假设把核聚变所需的原料氘和氚压缩成一个直径只有0.01厘米的球体，在如此之大的压力下，用温度超高的激光去照射小球，这种状态下小球可以被加热到上亿度，如此之高的温度使达到核聚变的点火温度成为了可能。 所以从20世纪40年代开始，世界各国就开始投入大量的人力、物力着手核聚变反应的控制，从而解决人类的能源危机。  核聚变能量的优点如前文所说，利用核聚变来发电，有很多不言而喻的优势，首先就是核聚变发电清洁安全，整个核聚变反应过程中没有使用放射性物质也不会产生像传统能源石油煤炭燃烧后产生的二氧化碳等温室气体，既不会污染环境也不会对人体造成伤害，因此核聚变能量是清洁安全的。  其次核聚变反应的原材料氘和氚丰富，地球上70%的表面被海洋覆盖，原材料的储量是足够使用的；第三，核聚变反应产生的能量巨大，使用少量的海水就能产生供人类生活一周左右的能量。 鉴于核聚变发电的优势如此显著，因此各国纷纷投入人力物力对其进行研究，毕竟在能源危机的当今社会，谁掌握了能源谁就掌握了发言权。  托卡马克装置自20世纪50年代初开始研究受控热核聚变，科学家经过几十年的艰苦努力和积极探索，发现了两种约束高温等离子体的途径，第一种约束力量靠的是惯性，比如氢弹，但它的能量瞬间迸发，还不能人为控制其释放的速度。 第二种约束力量是磁力，这种约束力量有望实现人工可控制缓慢释放能量，是目前研究得最多的一种方案。托马克装置就是其代表性的研究装置。  约束1亿摄氏度高温等离子体，至今还没有适用的耐高温并绝缘的特殊材料，但人们很早就知道，带电粒子在磁场中只能绕着磁力线做螺旋形运动核聚变的高温等离子体是带正电荷的急或氯与带负电荷的电子组成的气体，因此它们都只能绕着磁力线并沿磁力线方向做螺旋形运动，所以可采用特殊形状的磁力线来约束高温等离子体，并使之与器壁相脱离。人们把这种装置称之为托卡马克（Tokamak） 装置。  根据这一原理，1954年，苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇研制成功了第一台托卡马克装置，首次实现了人工受控的能量输出。这一成果一经宣布，引发国际社会的强烈关注，各国纷纷效仿，都将研发精力集中到了研究托卡马克上面，因此各国陆续建造或改建了一批大型托卡马克装置。  目前世界上运行的托卡马克装置至少有几十个。但等离子体电流超过100万安培的大型托卡马克只有T-15（前苏联），TFTR和DⅢ-D（美国），JET（欧共体联合建造，建在英国），JT-60（日本)，TORE SUPRA（法国）。 近年来为提高等离子体温度和约束时间，采取了许多技术措施，最引人注目的就是1991年11月JET（欧洲联合环）取得突破性的进展，他将核聚变反应的原材料氘和氚按一定比例混合，点火温度达到了3亿℃，维持反应60秒，能量约束时间达到了2秒，产生了108个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。 这一进展十分令人鼓舞，它表明在磁约束装置中第一次实现了DT聚变反应。如果JET在氘氚比为1：1条件下运行，可望达到“点火”指标。 中国核聚变研究进展2006年9月28日，中国耗时6年、耗资3亿元人民币自主设计制造的新一代托卡马克磁约束核聚变装置“EAST”首次成功完成放电实验，获得时间接近3秒、电流200千安的高温等离子体放电。 这一成果一经公布，引发世界注目，它标志着中国已经进入了核聚变研发的前列，这一伟大的成果离不开千千万万中国科研人员的努力和拼搏，如果后续能够实现商业化生产，那对中国来说，更是意义巨大，相当于掌握了无穷无尽的能源资源，看看现在的美国，仅仅是将美元与石油挂钩，就已经实现了全球霸主的地位，如果中国实现了核聚变发电，那未来是不可估量的。 而现在，EAST的建成，使我们国家顺利进入“核聚变俱乐部”这个世界性的“核聚变俱乐部”，是一个国际性核聚变组织，英文简称为“ITER”，即“国际、热核、实验、堆”这4个词语的英文首字母。 这个国际性组织诞生于1985年，由苏联和美国牵头，欧洲日本加入的四国组织，也就是后来核聚变领域广为人知的ITER。这个为了避免冷战升级，同时为了减少各国研究费用而建立的组织，一直沿袭至今，是一个开放性的国际组织，但也不是什么国家都可以加入，一定要在核聚变研究上走在世界前列的国家才能加入。 EAST的终极目标是好的，建造一个可自动持续燃烧的托卡马克核聚变实验堆，显然，从“装置”到“堆”，是跨越性的一步。 世界先进国家之所以共同研究，是因为核聚变研究耗资巨大，单是一个国家的力量恐怕很难实现。应该说，这个组织对于核聚变研究发展，确实起到了一定的推动作用，因为它是各担风险，而且资源以及试验结果，参与国家都有权利一起分享，这对于参与国来说，是公平的、是有益的。 中国的核聚变研究者经常讲到“领跑”，而加入ITER组织，就是“领跑”的重要标志之一。这是最可供参考的标志之一。现在ITER组织由7方组成，欧盟、日本、韩国、印度、俄罗斯、美国和英国。 科学家们预言，人类将在21世纪30年代完成受控核聚变的研究工作，建成核聚变发电站，并将其投入商业经营。 到了那一天，能源结构将发生革命性的根本变化，能源枯竭的危险最终将被抛到九雪云外，这对人类社会及人类文明将产生深远的影响。 好了，本期内容到这里就结束了，看完这期别忘了给我们点赞，关注和转发。谢谢您的支持，下期更精彩！ |
|
|
