“人造太阳”创造完美能源

时间:2022-12-09 21:35:04 浏览量:

在人口爆炸性地增长,能源、资源危机步步逼近地今天,专家预计,地球上可供使用的煤、石油、天然气等矿物能源将仅能继续维持200多年的开采,太阳能、风能等可再生能源的开发目前还无法形成规模,远远不能满足未来的需求。那么百年之后,人类将何以为继?因此,开发新一代更为清洁而高效的能源成为燃眉之急。科学家的“日不落梦想”给人们带来了希望:打造一个“人造太阳”,实现可控制的核聚变反应,以“人造太阳”终结能源危机,一劳永逸地解决人类存在的能源短缺问题。最终使人类社会从“石油文明”走向“核能文明”。

“人造太阳”与ITER计划

“人造太阳”是指人类能够实现可控核聚变反应。太阳之所以能够释放出能量,是因为在太阳上不断进行着核聚变反应。在地球上,人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的,但氢弹爆炸所产生的能量是不可控制的,会产生毁灭性的后果。科学家们希望发明一种装置,可以有效地控制“氢弹爆炸”的过程,使得能量能够持续、稳定地输出。这就产生了托卡马克(TOKAMAK)这类磁约束聚变装置。科学家们把这类有待完善的可控核聚变装置比喻为“人造太阳”,因为通过它可以像太阳一样进行不间断的核聚变反应,为人类提供一种无限的、清洁的和安全的能源。

从1952年美国试爆了第一颗氢弹,科学家们就在考虑如何控制核聚变反应在瞬间爆发的毁灭性能量,人类的“人造太阳”之梦由此时已经开始了。但是,在接下来的50年里,制造出“人造太阳”的难度却超出了所有科学家的预计。人们发现要使“人造太阳”发光还有许多尖端课题和前沿技术难以攻克。例如,如何同时解决超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境,以及牵涉真空、磁场、控制、等离子体、原子核等诸多领域的科学和技术难题。然而,在巨大的困难面前科学家们并没有退缩,而“集合全世界最好的科学家和工程师,聚集各参与国财力的共同支持”成为了共识,由此,ITER计划——国际热核聚变实验堆合作计划应运而生。

ITER计划是一项重大的国际科技合作计划。其目标是建造一个可控的核聚变实验堆,以验证热核聚变反应堆的工程可行性,并对实际应用核聚变能所需的要素进行试验。虽然这个雄心勃勃的国际大科学工程,自出生之日便命途多舛。但让世人感到兴奋的是,今年5月24日在比利时首都布鲁塞尔,中国、欧盟、美国、韩国、日本、俄罗斯和印度7方代表共同草签了《国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Ex-perimental Reactor)联合实施协定》。这标志着ITER计划实质上进入了正式执行阶段,即将开始工程建设,与此相关的科研项目将全面启动。

然而,我们不得不承认的是,ITER只是一个实验堆,人类要和平利用核聚变,还有很多的问题需要通过实验来研究解决。科学家们指出,实验堆主要是解决核聚变的原理及技术问题,接下来还要通过示范堆来解决工程、材料等问题,最终解决经济问题才能建造商业堆发电,这其中还有相当漫长的路要走。但是,毕竟我们离“人造太阳”的梦想又进一步!

核聚变创造完美能源

核聚变反应创造的能源是一种无限的、清洁的、安全的完美新能源。不会给我们带来任何污染、不会引起“温室效应”、而且是取之不尽、用之不竭的。

无限的——利用激光核聚变原理建造的发电站称为可控聚变能电站,这种电站的主要燃料是氘。氘大量存在于海水的重水之中,特别是海洋表层3米左右的海水里。据测算,每升海水中含有0.03克氘,所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。据推算,如果把自然界中的氘用于聚变反应,释放的能量足够人类使用100亿年,比太阳的寿命还要长。可以说是真正意义上的取之不尽,用之不竭、既经济又实惠的能源。至于氚,虽然自然界中不存在,但靠中子同锂的作用可以产生,而海水中也含有大量锂。

清洁的——因为它不会产生污染环境的放射性物质,所以是清洁的。目前核电站主要是利用铀核裂变反应释放出的能量来发电的,而铀核裂变会产生放射性裂变产物,如果处置不当,就可能污染环境和威胁人类健康。而聚变能电站由于聚变反应本身不会产生放射性污染,而诱发聚变反应的又是不产生污染的激光,因此,聚变能是一种没有污染的干净能源。

安全的——与利用核裂变的原子能发电相比,核聚变还具有危险非常小的特征。超重氢虽是放射性物质,但其潜在的放射危险却为原子能发电的千分之一。此外,如果发生故障,由于等离子体的温度下降,核聚变反应便会自动停止,不必担心会失控。因此,核聚变反应堆可以建设在大都市的近郊。

世界上第一个全超导桉聚变“人造太阳”实验装置

1998年立项的国家“九五”大科学工程EAST[先进超导托卡马克实验装置(ExpefimentalAdvancedsuperconduct-lng tokmak)],总投资为3亿元人民币,其费用只相当于世界上同类装置的十五分之一至二十分之一。EAST是中国第一台超导托卡马克装置HT-7的升级版。HT-7是中科院等离子物理研究所同俄罗斯合作,在上世纪90年代初建造完成的,这使得中国成为继俄罗斯、法国、日本之后第四个拥有同类实验装置的国家。

EAST经由二十五位国际顾问组成的委员会的评估后,被确定为是世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的托卡马克。他们如此写道:“EAST将是一个对世界聚变研究产生重要影响的先进科学设备;它将是世界上第一个同时具有全超导磁体和灵活的冷却结构的托卡马克,能实现稳态运行;EAST是中国聚变研究向前迈出的一大步,是中国新一代聚变人才培养的巨大成功。”更加令我们振奋的是,这台中国自行设计、研制的世界上第一个全超导托卡马克EAST核聚变实验装置,将于今年8月15日前后在安徽合肥科学岛上进行首次等离子体放电实验。如果实验取得成功,中国将成为世界上第一个拥有全超导核聚变实验装置的国家。

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