氘-氚聚變反應將釋放巨大的能量,一升海水中的氘(0.034克/升)通過聚變反應可釋放出的能量相當于300多升汽油的能量,而反應產物是無放射性的。地球上的水中含有約40萬億噸氘,足以滿足人類未來幾十億年對能源..." />
|新一代信息技術 信息基礎設施建設 互聯網+ 大數據 人工智能 高端信息技術核心產業
|高端制造 航空航天 軌道交通裝備 海洋工程裝備 新材料
|生物產業 生物醫藥 生物農業 生物能源
|綠色低碳 清潔能源汽車 新能源 節能技術 環境保護
|數字創意 數創裝備 內容創新 設計創新
您的位置:首頁 > 綠色低碳 > 新能源
受控核聚變能:人類未來的永久能源
2019-06-21 17:06
來源:科技日報
字體: [   ]




      氘-氚聚變反應將釋放巨大的能量,一升海水中的氘(0.034克/升)通過聚變反應可釋放出的能量相當于300多升汽油的能量,而反應產物是無放射性的。地球上的水中含有約40萬億噸氘,足以滿足人類未來幾十億年對能源的需求。可以說,浩瀚的大海就是大自然賜與人類取之不竭,用之不盡的能源寶庫。

  因此,以開發聚變能為目標的受控核聚變將是為人類提供最理想、無限豐富的清潔能源。但是在地球上實現持續的輕核聚變反應,要求相當苛刻的條件。它要求產生熱核聚變的等離子體維持足夠高的溫度、密度和約束時間。因此,聚變能源的開發和應用,被認為是人類科學技術史上遇到的最具挑戰性的特大科學工程。

  兩種途徑實現受控核聚變

  實現受控核聚變有磁約束和慣性約束兩種途徑。國際磁約束核聚變研究始于上世紀50年代,經歷了從最初的少數幾個核大國進行秘密研究階段,到50年代末的技術解密,再到60年代后世界范圍內很多國家合作參與的研究階段。在磁約束受控核聚變途徑的探索方面,也經歷了從快箍縮、磁鏡、仿星器等途徑,到現在集中于以托卡馬克裝置為主的研究上。托卡馬克途徑經過30多年發展,現在已取得了很大發展。從發展聚變堆角度看來,雖然托卡馬克目前仍有一些關鍵問題需要通過實驗加以驗證,但只有它才具備建造實驗性聚變反應堆的基本條件。

  在進行磁約束研究的同時,上世紀60年代以來,由于激光的出現,慣性約束核聚變途經也在探索之中。隨著近年來大功率激光技術、粒子束技術的發展,慣性約束聚變研究也取得了重大的進展。

  實驗取得突破性進展

  上世紀80年代以來, 國際磁約束核聚變研究取得了顯著進展,一批大型和超大型托卡馬克裝置(美國的TFTR、歐共體的JET、日本的JT-60U、蘇聯的T-15等)相繼建成并投入運行。多項聚變工程關鍵技術迅速發展、高溫等離子體的參數逐漸提高, 主要物理參數已接近達到為實現受控核聚變所要求的數值。在典型的裝置上,聚變燃料已可被加熱到2~4億攝氏度的高溫,表征聚變反應率最重要參數,聚變三乘積(溫度×密度×能量約束時間)已達到1.5×1021keV/m3.s,人類已經看到了實現聚變能源的曙光。

  進入九十年代, 國際受控核聚變研究取得了突破性的進展。1991年末,人類首次用可控的方法在歐洲共同體聯合環JET裝置上進行了首次氘-氚放電實驗,獲得聚變能達到3.4MJ,聚變功率達到1.7MW。隨后, 在美國普林斯頓大學的TFTR裝置上的氘-氚放電也獲得成功, 其輸出的功率更高, 達到了10.7MW,獲得聚變能6.5MJ。1997年JET裝置創下了輸出聚變功率16.1MW、聚變能21.7MJ的世界紀錄。1998年,在日本原子能研究所的JT-60U托卡馬克裝置上進行的D-D反應的實驗,其等效的氘-氚聚變反應的能量增益因子Q(能量增益因子定義為,聚變反應產生的能量與輸入裝置能量之比)已達到1.25。這些進展宣告了以托卡馬克為代表的磁約束核聚變的科學可行性在實驗上已經得到了證實。

  七方共建實驗堆ITER

  由于在托卡馬克聚變研究的道路上取得了穩步的實質性進展,由歐、美、日、俄四方發起的正在建設下一代托卡馬克型聚變試驗堆ITER。其工程輔助設計階段已于1998年完成。ITER大量研究和發展工作、一系列原型部件模塊的成功制造和實驗,論證了實驗性聚變堆的工程技術可行性。ITER項目采納了40年來全世界核聚變研究的成果,最初預計耗資為100億美元,設計的聚變功率1000兆瓦,等離子體持續時間大于1000秒。各國科學家寄希望于這座核聚變堆在受控核聚變攻關中實現質的飛躍,證實受控核聚變能的開發在技術上和工程上都的現實性。如果實驗堆ITER如期建成, 則一座電功率為百萬千瓦級的示范核聚變電站可望在2030年前后建成,并在2050年左右實現聚變能商用利用。

  ITER對推進聚變研究具有重大的作用,它將綜合演示聚變堆的工程可行性、進行長脈沖或穩態運行的高參數等離子體物理實驗。但是,100億元的建造費用顯得過高。自1998年夏天以來,ITER計劃開展了為期三年的ITER降低費用設計研究,最終的設計為聚變功率500兆瓦,建造費用也削減一半,即為正在建設中的國際熱核聚變實驗反應堆——ITER。在研究降低造價同時,又能達到所需的物理要求,解決有關的關鍵問題。ITER由美國、歐盟、俄羅斯、日本、印度、韓國和中國七方共同建造,建設地址為法國南部的卡達拉什,ITER計劃于2025年建成投入運行。2006年11月21日,ITER談判七方在布魯塞爾簽署最終協議。我國政府于2007年作為平等伙伴正式加入ITER計劃,這是迄今為止我國加入的最大國際科技合作項目。ITER計劃的加入,極大地促進了我國受控核聚變研究的進展。

  前景展望

  國際聚變界在托卡馬克裝置穩步前進的同時,正在努力探索大幅度提高聚變電站經濟競爭力的途徑。開展密實型堆芯等離子體約束的研究,如仿星器、低徑比托卡馬克、反場箍縮等位形。建造了一批兆安級等離子體電流的低徑比托卡馬克裝置,開展大幅度提高等離子體芯部和包層功率密度的研究。如美國自1998年開始,執行兩個為期三年,多個研究機構合作的項目:先進功率提取研究和面向等離子體的先進液體表面研究。目的是提出并進行各種創新性概念的評估,選出可行的方案,為隨后的研究和發展計劃做好準備。

  受控核聚變研究的最終目標是建成資源極其豐富、經濟性能優異、安全可靠、無環境污染的核聚變電站, 使之成為人類未來的永久能源。國際上將受控核聚變研究的發展分為六個階段, 即:(1) 原理性研究階段;(2) 規模實驗階段;(3) 點火裝置試驗階段(氘氚燃燒實驗);(4) 反應堆工程物理實驗階段;(5) 示范聚變電站階段;(6) 商用聚變電站階段。國際聚變界正處在點火裝置即氘-氚燃燒實驗階段, 并逐步向聚變反應堆工程物理實驗階段過渡。

  經過半個世紀各國科學家的共同努力,聚變研究已從科學實驗階段進入了發展實用的能源階段。累計投資超過300億美元的受控核聚變研究已經可以使人類看到光明的前景,但是實現聚變能的實際應用,仍是一個持久而不平坦的過程。

  加入ITER計劃,大大促進了我國聚變能研究發展的進程,在國家磁約束核聚變重大專項計劃的支持下,中國聚變工程實驗堆(CFETR)的工程設計即將完成,它將演示聚變電站的全部關鍵技術,聚變功率設計值為2GW,輸出電功率為60萬千瓦。我國CFETR計劃將是引領國際聚變能源的發展從實驗研究邁向商業化的關鍵一步。受控核聚變的實現將改變人類幾千年來的發展歷史,讓我們期待“人造太陽”的早日實現!(作者馮開明,系核工業西南物理研究院 博士導師)


本網站轉載的所有的文章、圖片、音頻視頻文件等資料的版權歸版權所有人所有。如因無法聯系到作者侵犯到您的權益,請與本網站聯系,我們將采取適當措施。

關注微信公眾號:

關于我們 | 聯系我們 | 廣告刊例 | 訂閱服務 | 版權聲明

地址(Address):北京市西城區廣內大街315號信息大廈B座8-13層(8-13 Floor, IT Center B Block, No.315 GuangNei Street, Xicheng District, Beijing, China)

郵編:100053 傳真:010-63691514 Post Code:100053 Fax:010-63691514

Copyright 中國戰略新興產業網 京ICP備09051002號-3 技術支持:wicep

白狮王援彩金