“人造太阳”发展:主要各国努力投入

时间:2024-01-31 12:38 栏目:封面故事 编辑:投资有道 点击: 777 次

“人造太阳”经过多年的研究,虽然尚未商用,但已经在各国的努力下,在实验室环境下产生了一定的成功,“人造太阳”意义重大,未来或成为能源发展的重要方向之一。

“人造太阳”与核聚变

太阳释放的能量主要来自太阳内部的核聚变反应。核聚变研究装置之所以被称为“人造太阳”,是因为太阳本身就是一座规模庞大的核聚变反应堆,而可控核聚变能源产生能量的原理与太阳发光发热的原理是一样的,因此被人们称为“人造太阳”。“人造太阳”是利用核聚变的原理建造的一座核聚变反应装置。

核聚变是一种利用氢原子核在高温高压下发生融合,释放出巨大能量的过程,这是太阳和恒星发光发热的根本原因,也是宇宙中最普遍和最强大的能量来源。这一能源生成过程几乎无污染,而其燃料主要是氘和氚,这两种氢的同位素都可以从海水中提取或者通过其他方式制造,资源十分丰富。

核聚变与核裂变 目前全球应用的核能反应堆都是采用核裂变技术,该技术虽然能够提供高效清洁的能源,但会产生存在辐射的废料,因此拥有极大的安全隐患。 核聚变是两颗较小的原子核聚合在一起产生的核反应,而核裂变是由一颗较大的原子核分裂而产生的核反应。

核聚变是指由质量小的原子,在一定条件下(如超高温和高压),发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核,并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。核聚变的原子核变化是从一种原子核变化为另外一种原子核。核裂变的原子核变化是在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个原子核。

核聚变只有一些质量非常小的原子像氘、氚等才能发生。核裂变只有一些质量非常大的原子核像铀、钍等才能发生。

1869年俄国科学家门捷列夫总结了当时人类所认识到的所有元素,按照其中的原子序数制成了人类历史上的第一张元素周期表。 每一种元素的稳定性是不一样的,其中最稳定的原子序数为26,也就是熟知的铁元素。其中比铁元素原子序数小的元素原子核有相互聚合的趋势,而比铁元素原子序数大的元素原子核有分裂的趋势,这两种反应都符合势能向更低的方向演化,并且损失掉了一部分质量的特征,因此都可以释放出巨大的原子能量。

与核裂变相比,核聚变反应所产生的核子平均质量亏损更多,也就意味着,同样质量的核反应物中,核聚变反应所产生的能量比核裂变更多,燃料所蕴含的能量密度也更高。

不过,目前人类所掌握的核能可控利用方式只有核裂变一种,也就是说大家所见所闻的核电站都是以核裂变的原理建立起来的。

核聚变的优势

从上文核聚变与核裂变的对比就可以看出,核聚变在能源上有非常大的优势。 核聚变技术如果成功,能够为全人类提供安全、绿色、用之不竭的能源。

一方面,核聚变能是一种非常清洁的能源,它不像核裂变产生大量的放射性废物。核聚变是核能的高级模式,在整个过程中基本不会有放射性废物的产生,不会对地球的生态环境造成污染。一旦人类用核聚变取代了现有的能源,那环境问题背后最大的二氧化碳难题就解决了,全球的温室效应也会逐渐减轻。没有了全球变暖的担忧,地球的生态自我修复能力会一步步发挥作用,或许用不了多久,人类的生活会更加美好。

另一方面,核聚变的原料非常丰富。核聚变的原料就是宇宙中无处不在的氢元素,而水中含有大量的氢元素,地球上70%的面积都被海洋覆盖,海水丰富而廉价,从海水中提取的氘可以供人类使用上亿年。这仅仅是地球上水的储量,而在宇宙中,水其实并不稀缺。以太阳系为例,地球有丰富的水资源,木星和土星的多个卫星表面都被冰层覆盖,在冰层之下有丰富的液态水资源,这些卫星的水资源储量远远超过地球。而在更加遥远的太阳系边缘,有着丰富水资源的星球更是多不胜数。

因此,不论是从能源角度,还是从环保角度,核聚变对于人类都有着十分重要的意义。

ITER“人造太阳”计划

回顾历史,核聚变的发展可以回溯至上世纪。

1988年,苏联、美国、日本、欧洲共同体签署了ITER“人造太阳”计划(以下简称:ITER计划),当时预计投资1000亿美元,预计2028年完成,该计划是影响最深远的国际科研合作项目之一,不过在执行中却遭遇了诸多的挫折。

首先就是苏联的解体,俄罗斯承接了相关的任务。此后,美国政府也于1998年宣布退出ITER计划,并且将投资全部撤回。当时的ITER计划,仅仅凭借着日本、俄罗斯和欧盟的力量,很难在预期时间之内完成。

于是欧盟也对外宣称,ITER计划将会延期10年。

此后,日本和欧洲各国又因为ITER计划研究所选址产生了巨大的分歧。最终双方达成协议,将计划总部设立在法国,日本担任第一届的主要理事。

2005年开始,ITER计划又获得了诸多国家的加入,韩国、印度、中国等国家相继加入ITER计划之后,这项以造福人类为主旨的研究,再一次被推向了全球制高点。而美国则于2008年重新加入ITER计划。

磁约束核聚变与激光核聚变

到目前为止,全球对可控核聚变的研究主要分为两类,一类是磁约束核聚变,另一类是激光核聚变。

上文所说的ITER计划,主要攻关的就是磁约束核聚变技术。

根据ITER计划,国际热核聚变实验反应堆在法国建造。这是世界上第一个大型托卡马克聚变试验堆,工程体量巨大,高30米,直径28米,重达2.3万吨,磁体系统共包括18个环向场线圈,其中一个线圈的重量就与波音747相当,而一个内真空室重量比法国埃菲尔铁塔还重。该反应堆预计在2035年进行氘氚聚变实验,到2050年左右实现核聚变商业应用。

激光核聚变技术,应用于美国的另一个点火装置。

位于美国加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室耗资35亿美元,最初是为了通过模拟爆炸来测试核武器,后用于推进核聚变能研究。实验室从2010年开始正式的点火试验,用了10多年时间不断冲击点火目标。

2014年,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的实验获得成功,但当时产生的能量非常小,相当于一个60瓦的灯泡在5分钟内消耗的能量。2021年8月,劳伦斯·利弗莫尔实验室在一次聚变反应中产生了1.37兆焦耳的能量,约为那次激光能量的70%,是世界上最接近净能量增益的一次。2022年9月又成功再现了一次2021年的结果,2022年12月再次冲刺,得到了3.15兆焦耳的能量输出。

2022年12月,美国能源部宣布,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室首度达成“能量净增益”,即核聚变反应产出的能量高于引发反应所使用的能量,这代表首次成功地模拟了太阳提供能量的方式,即开始通过核聚变反应生产能源。

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