核聚变时代到来?美国科学家围绕核聚变再次取得突破性进展

为了产生聚变点火,国家点火设施的激光能量在霍尔raum内转换为X射线,然后压缩燃料舱直到它内爆,产生高温,高压等离子体。 (图片来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室)

尽管许多科学家认为核聚变发电站还需要几十年的时间,但该技术的潜力却不容忽视。核聚变反应不排碳,不产生长寿命的放射性废物,理论上,一小杯氢燃料可以为一栋房子提供数百年的电力。

据国际原子能机构的定义,核聚变反应是模仿太阳的能量转换过程,使较轻的原子核结合成较重的原子核。这一过程会释放出巨大能量。理论上,几克反应物就可产生一太(即一万亿)焦耳的能量,而这大约是发达国家一个人在60年内所需的能量。此外,核聚变反应不会排放二氧化碳和核废料。

据红星新闻,2022年12月14日报道,三名知情人员透露,美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家在使用激光的聚变实验中首次实现了净能量增益:聚变反应后,得到的2.5兆焦耳能量比投入的2.1兆焦耳能量更多,新增约20%能量。该实验室称,“然而,确切的产量仍在确定中,在该过程完成之前发布信息是不准确的。”

知情人士透露,研究人员使用了2.1兆焦能量的反应物,释放了2.5兆焦耳的能量。但实验室称,具体的输出仍在计算中,虽然“超出预期”,但不一定超过2.1兆焦。两名了解该实验结果的消息人士称,由于能量输出高于预期,一些设备损坏,后续分析变得很复杂。如果确实超过2.1兆焦,这意味着人类首次在核聚变反应中实现了净能量增益。

伦敦帝国理工学院等离子体物理学教授杰里米-奇坦顿教授认为,如果报道是真的,那就是一个真正的突破性时刻,“非常令人兴奋。”

什么是核聚变?

据国际原子能组织机构,核聚变是两个轻原子核结合形成一个较重的原子核,同时释放大量能量的过程。

聚变反应发生在一种称为等离子体的物质状态中,等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的热带电气体,具有不同于固体、液体或气体的独特性质。

太阳和所有其他恒星一样,都是由这种反应驱动的。为了在我们的阳光下融合,原子核需要在大约一千万摄氏度的极高温度下相互碰撞。高温为它们提供了足够的能量来克服相互的电斥力。一旦原子核彼此非常接近,它们之间的吸引力核力将超过电排斥力并允许它们聚变。为此,原子核必须被限制在一个小空间内,以增加碰撞的机会。在太阳中,其巨大引力产生的极端压力为聚变创造了条件。

科学家为什么要研究聚变能?

自从核聚变理论在1930年代被理解以来,科学家——以及越来越多的工程师——一直在寻求重建和利用它。这是因为如果核聚变能够以工业规模在地球上复制,它可以提供几乎无限的清洁,安全和负担得起的能源来满足世界的需求。

聚变每公斤燃料产生的能量是裂变(用于核电站)的四倍,比燃烧石油或煤炭多近四百万倍。

大多数正在开发的聚变反应堆概念将使用氘和氚的混合物-含有额外中子的氢原子。从理论上讲,只需几克这些反应物,就可以产生太焦耳的能量,这大约是发达国家一个人六十年所需的能量。

图片来源:IAEA(国际原子能组织机构)

聚变燃料丰富且易于获得:氘可以从海水中廉价提取,氚可能由聚变产生的中子与天然丰富的锂反应产生。这些燃料供应将持续数百万年。未来的聚变反应堆也是本质安全的,预计不会产生高活性或长寿命的核废料。此外,由于聚变过程难以启动和维护,因此不存在反应失控和熔化的风险;聚变只能在严格的操作条件下发生,在严格的操作条件下(例如,在事故或系统故障的情况下),等离子体将自然终止,非常迅速地失去能量并在对反应堆造成任何持续损坏之前熄灭。

重要的是,核聚变-就像裂变一样-不会向大气中排放二氧化碳或其他温室气体,因此从本世纪下半叶开始,它可能是低碳电力的长期来源。

核聚变和等离子体物理研究在50多个国家进行,聚变反应在许多实验中已经成功产生,尽管到目前为止没有产生超过启动反应过程所需的能量。专家们提出了不同的设计和基于磁铁的聚变机器,如仿星器和托卡马克,但也包括依赖激光、线性设备和先进燃料的方法。

图片来源:IAEA(国际原子能组织机构)

成功推出聚变能源需要多长时间,将取决于通过全球伙伴关系和协作调动资源,以及该行业开发、验证和鉴定新兴聚变技术的速度。另一个重要问题是并行发展必要的核基础设施,例如与实现这一未来能源相关的要求、标准和良好实践。

世界上最大的国际聚变设施ITER在法国的组装于2020年开始。ITER是一个国际项目,旨在证明聚变能生产的科学和技术可行性,并为未来的发电示范聚变发电厂(称为DEMOs)证明技术和概念。ITER将在本十年的下半叶开始进行首次实验,全功率实验计划于2036年开始。

不同国家的DEMO时间表各不相同,但专家们的共识是,到2050年,一座发电聚变发电厂可以建成并投入运营。与此同时,许多私营商业企业也在开发聚变发电厂的概念方面取得了长足的进步,利用多年来公共资助的研发所产生的专有技术,并更快地提出聚变发电。

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