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科普之窗---您知道核聚变吗?
核聚变---未来能源之梦
人类使用的大自然能源
潮汐能
生物能
风能
太阳能
水能
人类赖于生存的能源并非是取之不尽用之不完的。进入21世纪后,依靠人类目前的技术,可开发的能源资源已面临严重不足的危机,当今煤、石油和天然气等矿石燃料资源日益枯竭,据世界能源会议统计,世界已探明可采煤炭储量共计15980亿吨,预计还可开采200年;探明可采石油储量共计1211亿吨,预计还可开采30~40年;探明可采天然气储量共计119万亿立方米,预计还可开采60年。新能源中,太阳能虽然用之不竭,但代价太高,并且就目前的技术发展情况来看,相当长一段时间里还不可能迅速发展和广泛使用,其它新能源也是如此,它们的规模受到环境、季节、地理位置等条件的限制,如风能、潮汐能、地热能等等。核能分为裂变能和聚变能两种。目前人类已经和平利用的只有裂变能,即核电站。裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少,而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料,这些因素限制了裂变能的发展。
秦山核电站
地球上的万物靠着太阳源源不断的能量维持自身的发展。在太阳的中心,温度高达1500万摄氏度,气压达到3000多亿个大气压,在这样的高温高压条件下,氢原子核聚变成氦原子核,并放出大量能量。几十亿年来,太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置,无休止地向外辐射着能量。
氢弹爆炸——地球上实现的不可控核聚变
核聚变反应原理
核聚变能是两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核时释放的能量,产生聚变的主要燃料之一是氢的同位素氘,氘广泛地分布在海水中。
受控核聚变就是根据这种太阳释放能量的原理,设法将氢弹爆炸瞬间完成的核聚变反应变成一个可以控制的过程,使释放的能量充分被人类利用。聚变反应的燃料是轻核,特别是氘、氚、氦3和锂,而其中的氘是天然存在的,可以从海水中提取。一公升海水里提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量。根据科学家的分析,如果我们未来能建成一座1000兆瓦的核聚变电站,每年只需要从海水中提取304公斤的氘就可以产生1000兆瓦的电量,照此计算,地球上仅在海水中就含有的45万亿吨氘,足够人类使用上百亿年,比太阳的寿命还要长。氘-氚聚变反应不产生长寿命的强放射性核废料,其少量放射性废料也很快失去放射性。氘-氘反应没有任何放射性。而且反应产物是无放射性污染的氦。另外,由于核聚变需要极高温度,一旦某一环节出现问题,燃料温度下降,聚变反应就会自动中止。也就是说,聚变堆是次临界堆,绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核(裂变)电站的事故。因此,利用氢及其同位素的聚变反应产生的能源将是一种高效清洁、安全、环境友善,取之不尽,用之不竭,可以从根本上解决人类能源需求,带给地球和人类生机的能源。
未来聚变电站概念图
托卡马克概念图
20世纪50年代初期,前苏联科学家塔姆和萨哈罗夫,提出了实现磁约束容器的装置——托卡马克装置,又称环流器。核聚变实现的条件苛刻, 需要:1亿度以上的高温、长时间的约束在有限的空间中、足够高的密度。聚变装置(聚变堆)是多种高新技术的组合体,聚变研究水平在一定程度上代表了一个国家的综合科技水平。在此之后
,美国、英国、日本等国的大型托卡马克装置相继建成并投入使用。20世纪90年代,在
欧洲、日本及美国的几个大型托卡马克装置上,聚变能研究取得了突破性进展。
1991年11月在欧洲的JET装置上首次成功地进行了D-T放电实验,1997年,、。美国的TFTR装置于1993年10月也实现了D-T聚变反应;近几年来,日本的JT-60U装置也取得了受控核聚变研究的最好成绩,获得了聚变反应堆级的等离子体参数:峰值离子温度~45keV,电子温度10keV,等离子体密度~1020m-3,聚变三乘积~×1021keV·s·m-3;。至此,聚变能的科学可行性基本得到论证,已经奠定有可能考虑建造聚变能实验堆,创造研究大规模核聚变的条件。
欧共体JET装置
美国TFTR装置
日本JT-60U装置
核聚变研究现状
中国环流器2号A(HL-2A)与聚变研究
1994年建成了中型托卡马克聚变实验装置-中国环流器新一号HL-1M。 2002年,又建成我国第一个具有偏滤器位形的大型托卡马克实验装置——中国环流器二号A(HL-2A)。2003年,HL-2A装置在国内首次实现偏滤器位形放电。之后,HL-2A在高参数条件下连续重复开展稳定的