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什么是核聚变 为什么很难实现?

2021-05-08 11:08  来源:IAEA    聚变反应堆    等离子体  核聚变

聚变产生的能量非常大,是核裂变反应的四倍,聚变反应可以成为未来聚变动力反应堆的基础。计划要求第一代聚变反应堆使用氘和氚的混合物-重氢。从理论上讲,仅用几克这些反应物,就有可能产生兆兆焦耳的能量,这大约相当于发达国家一个人六十年来所需的能量。


太阳与所有其他恒星都是由称为核聚变的反应提供动力。如果可以在地球上复制,它可以提供几乎无限的清洁,安全和负担得起的能源,以满足世界的能源需求。图片:NASA / SDO / AIA)

五百年前,今天的墨西哥的阿兹台克文明认为,太阳及其所有力量都由人类牺牲的血液来维持。今天,我们知道太阳和所有其他恒星都是由称为核聚变的反应提供动力的。如果核聚变能够在地球上复制,它可以提供几乎无限的清洁,安全和负担得起的能源,以满足世界的能源需求。

5月10日至15日,聚变项目负责人,等离子体物理学家和聚变科学和技术各个领域的专家将齐聚第二十八届国际原子能机构聚变能大会(FEC 2020)。探索关键物理和技术问题以及与将核聚变作为未来能源直接相关的创新概念,FEC 2020完全虚拟,任何人都可以参加。注册参加。

那么核聚变到底是如何工作的呢?

简而言之,核聚变是两个轻原子核结合形成单个重原子核同时释放大量能量的过程。聚变反应在一种称为等离子体的物质状态下发生,等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的带电热气体,具有不同于固体,液体和气体的独特性质。

为了在我们的太阳上融合,原子核需要在超过一千万摄氏度的非常高的温度下相互碰撞,以使它们能够克服相互的电排斥。一旦原子核克服了这种排斥力,并且彼此之间的距离非常近,它们之间的吸引力核力将超过电排斥力并使它们融合。为此,必须将原子核限制在较小的空间内,以增加发生碰撞的机会。在阳光下,由其巨大引力产生的极端压力为发生聚变创造了条件。

聚变产生的能量非常大,是核裂变反应的四倍,聚变反应可以成为未来聚变动力反应堆的基础。计划要求第一代聚变反应堆使用氘和氚的混合物-重氢。从理论上讲,仅用几克这些反应物,就有可能产生兆兆焦耳的能量,这大约相当于发达国家一个人六十年来所需的能量。

氘和氚的混合物(两种氢同位素)将用于为未来的聚变电厂提供燃料。在反应堆内部,氘和氚核碰撞并融合,释放出氦气和中子。图片:国际原子能机构/巴巴里诺)

改善约束性能和等离子体的稳定性

尽管太阳的巨大引力自然会引起聚变,但如果没有这种引力,则需要更高的温度才能发生反应。在地球上,我们需要超过1亿摄氏度的温度和强大的压力才能使氘和氚融合,并且要有足够的约束条件来保持等离子体并保持聚变反应足够长的时间,以获得净功率增益,即产生的聚变功率与用于加热等离子体的功率。

虽然现在在实验中通常可以达到非常接近聚变反应堆所需条件的条件,但仍需要改善约束性能和等离子体的稳定性。来自世界各地的科学家和工程师继续测试新材料和设计新技术,以实现聚变能。

在50多个国家进行了核聚变和等离子体物理学研究,尽管没有证明净聚变功率增加,但在许多实验中已经成功实现了聚变反应。重塑恒星进程需要多长时间,将取决于通过全球伙伴关系和合作动员资源。

合作的历史

自从1930年代了解核聚变以来,科学家就一直在寻求重建和利用核聚变。最初,这些尝试是保密的。但是,很快就清楚了,这项复杂而昂贵的研究只能通过合作来实现。在1958年于瑞士日内瓦举行的第二届联合国和平利用原子能国际会议上,科学家向世界展示了核聚变研究。

原子能机构一直是国际聚变研究的核心。IAEA于1960年发布了《核聚变》杂志,以交流有关核聚变进展的信息,现在被认为是该领域的主要期刊。1961年举行了第一届国际原子能机构国际聚变能会议,自1974年以来,国际原子能机构每两年召开一次会议,以促进对这一领域的发展和成就的讨论。

在就世界上最大的国际聚变设施的设计和选址进行了二十年的谈判之后,ITER于2007年在法国成立,旨在证明聚变能源生产的科学和技术可行性。国际热核实验堆协定已交存国际原子能机构总干事。在国际热核实验堆之后,正在计划示范性聚变发电厂或DEMO,以证明受控核聚变可以产生净电力。IAEA举办了有关DEMO的讲习班,以促进在定义和协调全球DEMO计划活动方面的合作。

预计聚变能满足人类数百万年的能源需求。聚变燃料丰富且易于获得:可以从海水中廉价地提取氘,而氚可以由天然丰富的锂生产。未来的聚变反应堆将不会产生高活性,长寿命的核废料,并且在聚变反应堆发生熔毁实际上是不可能的。

重要的是,核聚变不会将二氧化碳或其他温室气体排放到大气中,因此与核裂变一起可以在未来的气候变化中起到缓解低碳能源的作用。



图为技术

深圳核博会

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