動態(tài)焦點:超越美國！中國“人造太陽”創(chuàng)輝煌，12萬次實驗領(lǐng)導(dǎo)全球聚變技術(shù)

破世界紀(jì)錄

【資料圖】

好消息，我國的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（以下簡稱：東方超環(huán)）再次打破記錄，經(jīng)過了122254次實驗后，等離子體的約束時間終于維持在了403秒，等離子體在穩(wěn)定高約束下的持續(xù)時間，EAST上一次打破該記錄是在2017年的101秒，可以說此次的世界紀(jì)錄是上次世界紀(jì)錄的4倍！

那么這項技術(shù)又帶來了哪些影響呢？可能網(wǎng)友就會表示：我們距離可控核聚變的商業(yè)化離得更近了。我們先來了解一系列的問題，什么是可控核聚變，說簡單點，可控核聚變，就是可以人為控制核聚變所釋放的能量，需要多少能量，就進(jìn)行多少次的聚變反應(yīng)。

可控核聚變

值得一提的是，這項技術(shù)目前來看人類還無法實現(xiàn)，不過科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)太陽似乎正在以核聚變的方式燃燒，據(jù)悉太陽每秒鐘會將6億噸的物質(zhì)進(jìn)行核聚變反應(yīng)，因此太陽一秒釋放的能量超過了地球上核武器數(shù)量釋放能量的總和。

這也是人類為何一直致力于可控核聚變的研發(fā)工作，由于核聚變采用的是用氫和氦為主的主要聚變材料，而在聚變反應(yīng)中，核聚變不會釋放核污染和核輻射，被譽為是人類未來的清潔能源。

高溫與壓力

與核裂變不同，核聚變需要在極高的壓力和溫度下進(jìn)行，很顯然地球上沒有這樣的條件，因此我們就需要一個裝置，比如東方超環(huán)，它的作用就是將等離子體約束在一個局部的空間中，繼而產(chǎn)生聚變反應(yīng)。

我們知道太陽的核心溫度大約為1500萬攝氏度，而太陽內(nèi)部具有著可怕的壓力。如果要在地球上模擬出這樣的環(huán)境，壓力我們無法模擬，但是溫度可以調(diào)高，當(dāng)溫度穩(wěn)定在一億度以上時，我們就具備了核聚變的基本條件。

目前來看，人類當(dāng)下使用的核聚變類型分為兩種，一種是磁約束，一種是慣性約束。磁約束是通過強大的磁場將高溫的等離子體固定在一定的空間內(nèi)，通過不斷加熱使其達(dá)到聚變條件。

超導(dǎo)東方超環(huán)

托卡馬克是一種利用磁約束來實現(xiàn)磁局限融合的環(huán)形裝置，它通過生成一個強磁場，使得等離子體中帶電粒子在磁場力的作用下做圓周運動，從而實現(xiàn)約束。托卡馬克是目前最成熟的磁約束核聚變技術(shù)之一，具有約束力強、能耗低等優(yōu)點，但也需要較大的裝置和能量投入。

聚變方式

慣性約束是通過高能量激光或粒子束從多個方向同時擊中一個小球形的燃料靶，使其在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境，引發(fā)聚變反應(yīng)。激光慣性約束是一種利用高能激光或粒子束在極短的時間內(nèi)輻照氘氚靶來實現(xiàn)聚變的方法。

它通過將燃料靶點拋射開來產(chǎn)生一個局部區(qū)域內(nèi)的高溫、高壓、高密度等離子體。這種等離子體在慣性作用下會受到自身質(zhì)量的約束，從而保持相對穩(wěn)定的形態(tài)。

激光慣性約束的優(yōu)點是設(shè)備可以做小，而且開、關(guān)火控制性能也比較好，但缺點是需要消耗大量能源產(chǎn)生激光用來點火，而且燃料靶丸制造成本也非常的巨大。

磁約束核聚變

而我國此次的全超導(dǎo)托卡馬克是一種利用全超導(dǎo)磁體來實現(xiàn)磁約束核聚變的托卡馬克裝置。托卡馬克裝置的主要部件包括縱向場磁體和極向場磁體，它們分別用來產(chǎn)生環(huán)形和多極的磁場，以約束和控制等離子體的運動。

全超導(dǎo)托卡馬克的特點是使用低溫超導(dǎo)材料制造磁體，這樣可以大大降低磁體的電阻和能耗，提高磁場的強度和穩(wěn)定性，實現(xiàn)長脈沖或穩(wěn)態(tài)運行的條件。

維持等離體子

事實上核聚變的過程非常的困難，尤其是在地球上進(jìn)行，在核聚變的過程中，需要將溫度和壓力維持在極高的范圍內(nèi)，這就對核聚變內(nèi)部的裝置材料有著極高的要求。

其次，可控核聚變的難點在于要使兩個輕原子核克服靜電排斥力而接近到足夠的距離，從而發(fā)生融合聚變形成新的更重的原子核。這需要給原子核提供長時間的極高溫度和壓力，以及足夠長的約束時間，也就是說等離體子維持的時間越長，就意味著核聚變所釋放的能量就會越大。而這就會導(dǎo)致越來越多的聚變材料，加入到聚變的反應(yīng)中。

建造材料

目前來看，我們想要建造一個核聚變堆，需要整個人類文明共同的能力，才能建成，想要建造聚變堆就需要：

選擇合適的核聚變反應(yīng)類型，如氘-氚反應(yīng)、氘-氘反應(yīng)或氦-3反應(yīng)等，確定所需的燃料和產(chǎn)物，最終這些原子都會融合為氦-4。選擇合適的核聚變反應(yīng)堆類型，如激光慣性約束或磁約束等，確定所需的裝置結(jié)構(gòu)和參數(shù)。選擇合適的慢化劑和冷卻劑，同核裂變一樣，核聚變在聚變的過程中，不僅會釋放中子輻射，也需要使用慢化劑和冷卻劑對等離子體約束，如水、氣體、液態(tài)金屬或融鹽等，確定所需的循環(huán)系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)。選擇合適的控制系統(tǒng)，如控制棒、中子吸收材料或電磁場等，確定所需的反應(yīng)控制和安全保護系統(tǒng)。選擇合適的發(fā)電系統(tǒng)，如蒸汽渦輪機、熱電轉(zhuǎn)換器或直接轉(zhuǎn)換器等，確定所需的能量轉(zhuǎn)換和輸送系統(tǒng)。建造反應(yīng)堆并輸入燃料，啟動并維持核聚變反應(yīng)，調(diào)節(jié)反應(yīng)速率和輸出功率。

控核聚變技術(shù)對人類文明有重大的意義，因為它可以提供清潔、安全、充足和可持續(xù)的能源，解決人類面臨的能源危機和環(huán)境問題?？煽睾司圩兿啾群肆炎冇泻芏鄡?yōu)勢，例如，沒有放射性廢料、沒有溫室氣體排放、沒有核泄漏風(fēng)險、沒有核擴散危險等。可控核聚變也可以推動科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展，創(chuàng)造新的就業(yè)機會和經(jīng)濟效益。

然而，可控核聚變技術(shù)也面臨著很多挑戰(zhàn)和困難，例如，如何實現(xiàn)能量凈增益、如何捕獲和利用中子能量、如何抑制等離子體不穩(wěn)定性、如何選擇合適的材料和設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)等。

國際ITER項目

目前，全球有多個國家和組織正在進(jìn)行可控核聚變的研究和實驗，其中最著名的是國際熱核實驗反應(yīng)堆（ITER）項目，它是一個由七個國家聯(lián)合建設(shè)和運行的大型托卡馬克裝置，目標(biāo)是實現(xiàn)氘-氚聚變反應(yīng)的能量凈增益。

ITER項目是一個由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七個國家聯(lián)合建設(shè)和運行的大型托卡馬克裝置，目標(biāo)是實現(xiàn)氘-氚聚變反應(yīng)的能量凈增益。 根據(jù)ITER計劃此前發(fā)表的公報，有望在2025年首次開機產(chǎn)生第一炮等離子體，氘氚聚變實驗預(yù)計于2035年開始。

ITER項目目前正在法國進(jìn)行建設(shè)，已經(jīng)完成了約75%的工程進(jìn)度。 項目的核心部件包括真空室、超導(dǎo)磁體、中子屏蔽、熱負(fù)荷第一壁等，由各參與國按照分工提供。 我國作為參與國之一，在其中承擔(dān)了10%的核心部件和20%的輔助系統(tǒng)的制造任務(wù)。

東方超環(huán)

我國發(fā)展核聚變技術(shù)至今，已經(jīng)進(jìn)入到了世界頂級水平陣列中，東方超環(huán)是目前探索和解決未來聚變反應(yīng)堆工程和物理問題的最有效的途徑之一。我國在2006年建成了世界上第一個全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置——EAST，也被稱為“人造太陽”。

EAST裝置在國際上具有先進(jìn)的技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，已經(jīng)實現(xiàn)了多項世界紀(jì)錄，如1.2億度101秒等離子體運行、1.6億度20秒等離子體運行、1056秒長脈沖高參數(shù)等離子體運行等。

CFERT與ARC

EAST裝置為我國參與國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER）項目和自主建造聚變工程實驗堆（CFETR）提供了重要的科學(xué)技術(shù)支持。根據(jù)專家的介紹：我國的（CFETR）項目要比美國麻省理工的（ARC）更大更強，因為我們主導(dǎo)的CFETR更大更強，并且可以持續(xù)穩(wěn)定長效的高脈沖增益輸出。

事實上，我們一旦實現(xiàn)了可控核聚變技術(shù)，建造了核聚變聚變堆，然后成功發(fā)電并網(wǎng)，那你就會發(fā)現(xiàn)世界將會煥然一新，一切能源都會變成免費。當(dāng)然了我們當(dāng)下面臨的問題還有很多很多。

實現(xiàn)核聚變的商用過程，依舊是艱難和復(fù)雜的。尤其是如何在極高的溫度，1億度以上，使核聚變的過程能夠長期的保持，這是一個巨大的難題，等離子體持續(xù)存在的時間越長，能量釋放的就會越多，持續(xù)時間的越短，產(chǎn)生的能量就會越少。

中子輻射

在核聚變的過程中，需要面臨的不僅僅是環(huán)境問題，還有就是中子輻射，由于中子不帶電，可以貫穿一切物質(zhì)，中子輻射就發(fā)生于聚變的過程，這對于參與聚變的操作人員的健康有著一定的威脅。

本文總結(jié)

其次還有一點要提的就是，人類初期的核聚變技術(shù)，投入將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)果，比如正常的聚變，一升海水可以產(chǎn)生300升汽油的能量，但是在初期，一升的海水可能只會產(chǎn)生100升汽油的能量，這是因為如果無法持續(xù)的穩(wěn)定聚變的環(huán)境，那么就會有大量的聚變材料，遭受到損壞。

因此想要實現(xiàn)可控核聚變技術(shù)，并且使其商業(yè)化，人類還有很長的路要走。最后祝福我們的科學(xué)家再次創(chuàng)造記錄，期待我們自己的聚變堆能夠早日建成。

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