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世界各国核聚变成就,中国处于什么阶段,未来我们会用上核聚变吗?

2020-02-08 15:44    核聚变  核能利用

在常温下,原子核彼此靠近的程度只能达到原子的外部的电子壳层,温度达到数千摄氏度时,组成气体的原子会产生分离。原本束缚在原子核外层的电子会拥有足够的动能而摆脱原子核的吸力作自由运动。当温度达到数亿摄氏度时,原子核之间会克服互相排斥的斥力而发生热核聚变反应。释放大量的能量。核聚变的应用方式目前主要有2种1.惯性约束核聚变:用激光照射含有微量氘氚元素的直径数毫米小球,使球温度升高至数亿度,内部的气体变成高温等离子态。在...


在常温下,原子核彼此靠近的程度只能达到原子的外部的电子壳层,温度达到数千摄氏度时,组成气体的原子会产生分离。原本束缚在原子核外层的电子会拥有足够的动能而摆脱原子核的吸力作自由运动。当温度达到数亿摄氏度时,原子核之间会克服互相排斥的斥力而发生热核聚变反应。释放大量的能量。

核聚变的应用方式目前主要有2种

1.惯性约束核聚变:用激光照射含有微量氘氚元素的直径数毫米小球,使球温度升高至数亿度,内部的气体变成高温等离子态。在反冲作用力下元素被压缩到极高密度后产生热核聚变,如此连续照射可持续产生大量的聚变能。

2.磁约束核聚变:在一个封闭环境内将气体加热到数亿度让原子核发生聚变反应。没有任何材料可制造成容器壁来容纳数亿度的高温,那么制造一个强磁场让超高温等离子体约束在一定空间内环绕磁场高速运转,让空间来存放温度。这类设备基本分为托卡马克装置和仿星器两个流派,托卡马克装置是目前最主流的发展方向。

美国 在惯性约束研究方向上,以美国国家点火计划(NLF)装置为代表,由位于加州的劳伦斯利福摩尔实验室建造。这是目前世界上最大的激光器,在获得了大量的数据后,在实验物理阶段,发现技术要求太苛刻难成。

需要先将外部激光增强一万倍,之后将这束激光分成48束,再次增强后进一步分成192束激光,此时这些激光总能量增加到原来的3000亿倍。在时间误差不超过一万亿分之一秒的情况下,互不干扰的同时打在直径3毫米的氘氚靶丸上,瞬间达到一亿度高温。在16年首次获得了输入能量小于输出能量的成绩后,证明了核聚变从不计成本的实验向实用化迈出了最为重要的一步。

 

而麻省理工学院的阿尔卡特聚变实验反应堆,是托卡马克装置。代表着磁约束核聚变方向。2016年10月创造了等离子压强超过2个大气压的世界记录。

环顾他国,美国的核聚变科学成果已经领先世界,而当下的技术难题,如同噩梦般始终困扰着科学家,鉴于连续无比的巨大投入和本国等离子激化核聚变技术的飞速发展,国家点火装置在近年逐渐转型为本职工作:模拟核实验和恒星演化。而阿尔卡特装置于实验完成后关机。在等待更先进的等离子点火获得托卡马克难以得到的瓶颈数据后,规划将于2032年重启,互相交叉验证滚动推进科研进程。现有研发成果将和欧洲工业强国进行深度合作。特别是法国的国际热核反应堆和德国的仿星器项目。

2019年10月,在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室,成功进行了等离子线性实验(PLX),这是集合了2种约束优点为一体的更新一代点火技术。高温不再采用激光来激发,而是使用等离子体喷枪喷射等离子流这一全新的等离子激发核聚变技术,初次的实验由安装就位的18支喷枪完成,计划在2020年底一共36支喷枪将全力运行。

在此之前,人类对等离子体碰撞之后的行动状态,没有任何实验数据,只有相互矛盾的理论推测模型。这一新技术的应用,将极大的推进核聚变领域的科研进程。目前世界上只有美国掌握,处于一骑绝尘的地位。

这是依据着雄厚的国力和国家竞争力集合了全世界的人才为美国服务的成果,个中原因多重。

德国:现代物理学的两大基石,相对论和量子力学的诞生之地。理论物理和实验物理一直处于世界顶尖的行列。磁约束核聚变的研究从五十年代开始一直将仿星器作为主要的科研方向。在苏联发明托卡马克装置以来,各国纷纷选择看似优势巨大的托氏,唯德国不为所动,并且在1996年德国赠送给中国核工业部西南研究所一台性能优良的托卡马克装置,这是一条道走到底啊。

德国科学家认为仿星器可能是未来最适合核聚变发电厂的类型,最大的优势在于能够连续稳定运行。

 

2018年10月,德国马克思.普朗克研究所和美国能源部下属的普林斯顿实验室合作的W7-X仿星器取得了世界性突破,每立方米的高温粒子密度已经达到了建造发电站的条件。顾名思义,模仿恒星内部的环境制造核聚变的产生条件。它的设计规避了托氏很多的技术难点。W7-X让世人的目光重新聚焦到仿星器上。两种装置,谁能最后胜出,德国今天取得的成就让70年代的观点在今天看起来不是很确定了。

法国 国际热核聚变反应堆(ITER)计划是全球规模最大,影响最深远的项目,目前在法国建造。该计划集成了全球之力,为实现人类未来能源的梦想而共同建造的世界最大核聚变反应堆。7个成员国分别是欧盟,美国,俄罗斯,日本,韩国和中国,印度。我国于2003年正式加入。

 

法国的核工业处于世界领先地位,技术成熟,安全可靠性高,国内有多家核商业公司。目前核能发电占到了全国总发电量的80%,我国大亚湾核电站和台山核电站均源于法国技术。尤其是大亚湾工程赴法培训的110名工程师,成为了我国核工业起步的火种。

法国核应用的成就和核废料处理世界第一的能力,让欧盟力推法国成为该计划的主导者。法国对核能工程的管控和系统性的管理能力,也得到世界的公认。法国核工业的标准也成为了世界各国发展核工业的参照。

ITER不仅汇集了国际聚变能研究的最新成果,而且综合了当今世界相关领域的顶尖技术。近些年,得益于ITER计划,我国核聚变的水平提升极快。同时也获得了世界的认可。中方在计划中负责核心部件制造任务:环向场线圈导体,校正场线圈导体等。以10%的投入,换取100%的知识产权。

日本 这是一个资源匮乏的国家,对新能源的获取,有着偏执般的执着。在核聚变研究方面,一直处于世界领先的层次。1996年,就已经达到了4亿度的核心温度。这一世界记录至今保持。

 

更新一代的托卡马克装置,预计2020开始运转。在托卡马克装置和仿星器研究方面,日本处于世界领先地位,保持着多项世界记录。

在核聚变科研领域,日本是不遗余力的发展。在世界所有的核聚变专利中,日本占了54%以上,美国在关键和核心领域都申请了专利,做到了少而精。剩下的才是其他国家。这和各国对核聚变领域的投入与科研实力是相符的。特别是日本在外围设备的研究,远远在其他国家之上。尤其是点火领域的研发成果,美国也没有达到。

俄罗斯 托卡马克装置的发明地,1954年,世界第一台托氏装置在苏联落成。1968年,世界上第一次等离子体由苏联获得。这点燃了世界对新能源的梦想,各国先后建造了上百座托氏装置。

无论是理论还是实验成果,苏联都是当时的世界之巅。英雄暮日,今天的俄罗斯,已经落后于世界很多了,没有强悍的国力,无法支撑大国梦想。

中国 由于经济孱弱和国外的技术封锁,我国对核聚变的研究虽然很早,但是起点很低。1955年,在归国博士李正武的带领下,我国开启了可控核聚变的研究。在70年代看到苏联的成绩后,我国确定了托卡马克装置为主要研究方向。期间陆续建造了环流一号,CT-6等数个装置。在90年代之前,我们距离世界顶尖的距离,还是非常远的。做科研,很烧钱。今天的“东方超环”一天液氦冷却费在千万元计。在这50年前,国力不可承受。

 

1990年东欧剧变,俄罗斯无力负担科研费用,赠送给我国一套HT-7超导托卡马克装置。普通托卡马克装置受线圈电阻影响,磁场强度不能无限放大。使用超导体,就可以解决大电流和损耗的问题。可以获得更高的温度和磁场强度。这套设备,使我国对可控核聚变的认知,有了跨代的了解,缩短了30年的摸索实践过程。偏巧,超导体研究是我国强项,想飞,就来了翅膀。

1996年德国赠送的给西南所的设备,让我国系统的了解了世界主流的研发进程,第一次跟上了世界的脚步。这时候,我国的科研水平,距离世界第一梯队,还是差距很远。同年日本已经获得了核心温度4亿度的世界记录。这一路的追赶和部分的反超,有机遇也有自身的优势所然。

得益于我们有一批理论物理的大师,激光惯性约束核聚变的创始人就是我国的王淦昌院士。我们的基础理论物理水平并不落后世界,有着人才济济的梯队储备。我们丰富的稀土资源让我国的激光和超导工艺一直与世界同步甚至领先,这是可控核聚变的重要技术。到了90年代后期,我国的国力开始飞速的攀升,爆兵的时代到来了。

同时,外部环境也给我们创造了追赶进入第一梯队的机会。法国的国际热核反应堆原本计划1985年开建,当时凭我国实力,是无法加入的,一旦开工建设意味着永远被排除在第一集团之外。各国出于国家利益的纠葛和之后的苏联解体美国退出让改计划搁置了20年,给了我们20年的追赶和发展时间。2005年ITER正式立项,此时的造价已经从85年的50亿美元攀升到150亿美元到今天,乐观估计500亿美元。该项目是建设世界第一座核聚变实验反应堆。参与ITER计划不仅使我国在核聚变研究进入了世界最前沿,也将推动我国核聚变工业整体的发展。

中国工程物理研究院,我国惯性约束核聚变的研发之地,刚刚落成的“神光”三号作为亚洲最大,世界第二的激光装置,可同时激发48束激光,峰值功率达到60万亿瓦。标志着我国继美国国家点火计划之后,第二个有能力开展多束激光约束的国家。同时研发的聚龙一号也是利用Z箍缩原理的高脉冲激光装置也达到了世界先进水平。

 

2007年,世界首座全超导托卡马克装置“东方超环”EAST在合肥落成,它的结构和应用技术与规划中的ITER一样,世界上唯一可以给国际热核计划提供实验数据的装置。2018年,中科院研究所在实验中获得了一亿度的核心温度,而时长100秒达到了世界之最。2019年底,新装置落成,预计核心温度将达到1.5亿度。

2018年1月,国家发改委宣布聚变工程实验堆在合肥开工建设,初期投资1000亿人民币。为下一代反应堆累积数据,提供一系列科研数据和实验环境。争取在2050年建成商业反应堆。对这一建址地,三个城市参与了争夺,分别是合肥,上海,成都。最终合肥依靠中科院的优势胜出。

2020年,西南物理研究所的“环流器二号M”即将建成运行,预计核心温度达到2亿度。更强的超导托卡马克装置即将运行。

 

在刚加入ITER的时候,我国离世界水平还有20年的差距。十年之后,到2013年,得益于ITER知识产权共享,和世界水平齐头并进。到今天,我们已经在部分领域实现了反超。比如第一壁的材料,由不锈钢,铜合金与金属铍的真空注压,是率先获得高热负荷认证,获得生产许可证的国家。

客观来说,今天我国在世界核聚变领域的位置是在第一集团第三位,落后于美日,和德法并驾齐驱。在核聚变这一庞大的系统性工程里,极少部分实现了领先于世界,小部分处于各有所长的位置,大部分处于接近和相互借鉴的阶段。核聚变研究是个极度烧钱的过程。在西方国家普遍经济不振,削减预算的当下,我国在不断加大投入,再过若干年,可能是另一种排位了。

其他 在金融发达的英美国家,私人核聚变研发公司极为活跃,民间资本大量涌入。英国的一些公司,在核聚变领域依托大学资源,获得了很多独特的成果拥有了专利。很多商业核聚变公司乐观的预计,30年左右,可以进行商业化发电。韩国也对新能源表现了极强烈的渴求。最近韩国在超导托卡马克装置中也获得了一亿度的核心温度。各个工业国家,都有能源焦虑症。生怕第二天醒来没石油买了。

可控核聚变,目前来说,还有很多的技术难题。但是只有这一条路了。在石油时代之后,必须有一个主流能源要代替它,而且必须要更加澎湃,更加强大,如此才能推动人类文明向更高发展。如同煤炭代替了木材,石油代替了煤炭,文明发展的命运。




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