升級了!英國核聚變反應堆由「甜甜圈」變身「去核蘋果」,究竟改進...
2020-12-05 前瞻網
近日，英國的一個實驗性核聚變反應堆首次啟動發電，這表明英國在通往可控核聚變的道路上邁出了重要的一步。
位於牛津郡Culham的名為MAST Upgrade的機器裝置已經證實了其所有組件可以協同工作，並將氫氣加熱成等離子體。這一機器是正在運轉的核聚變反應堆的基本組成部分。
核聚變的原理是在極高的溫度和壓力下讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核。這一過程與核裂變正好相反。
在宇宙之中，核聚變會在恆星中心自然發生。在巨大的恆星熔爐中，引力克服了帶電氫原子相互排斥的傾向，就像磁鐵的兩個正極一樣。
而要在地球上實現核聚變，第一步遭遇到的難題就是如何讓核外電子擺脫原子核的束縛。
通過提高物質的溫度(需要達到10萬攝氏度左右)，人們能夠使原子核和電子分開，製造出等離子體(不同於固體、液體和氣體的物質第四態)。
正如此前前瞻網的一篇文章《小原子爆發大能量：人造太陽可以帶來無限能源，還能承受上億度高溫!》中所介紹，目前實現可控核聚變有幾種方案，包括雷射約束核聚變、磁約束核聚變等，其中，人類對託卡馬克的研究是最深入的。
英國本次成功進行試驗的裝置MAST Upgrade也屬於託卡馬克(Tokamak)，這是一種環形裝置，利用強大的磁場製造出一個封閉空間，讓核聚變的高溫反應在磁場空間中進行。
託卡馬克的中央是一個環形的真空室，很長一段時間以來，這種裝置的形狀都像個甜甜圈。不過本次MAST Upgrade採用了一個更為先進的形狀，更像是一個去核的蘋果。
(圖：託卡馬克，綠色圓錐箭頭為等離子體電流)
MAST Upgrade是對此前的實驗反應堆設備MAST的改進，MAST全名為「兆安培球形託卡馬克」(Mega Ampere Spherical Tokamak)，運行於1999年至2013年。
(圖： MAST Upgrade)
雖然是在同一地點建造的，但MAST Upgrade大約90%的硬體是全新的。這個有3米寬的設備比一臺空客A380引擎還大，現在升級了更強的磁鐵，配備了額外的儀器來跟蹤和控制裡面沸騰的等離子體，以更強的中性束噴射器的形式增加加熱功率，並使其等離子體放電時間延長，最多可達5秒。
MAST Upgrade球形託卡馬克細長的中心柱不同於主流設備如JET和ITER的笨重的環狀裝置，研究人員認為，這種形狀比環形託卡馬克更能保證等離子體的穩定性。但與傳統的設計相比，人們對它的了解較少。
歐洲核聚變協會認為它是值得探索的聚變能源路線圖的替代品。英國原子能機構(UKAEA)認為，緊湊的設計可能是未來小型和廉價核聚變發電廠的關鍵。
普林斯頓等離子體物理實驗室(Princeton Plasma Physics Laboratory)也曾進行過類似的升級，被稱為國家球形環面實驗(NSTX)。但2016年，NSTX在耗資9400萬美元升級後不久就發生了一系列故障，其恢復計劃可能將花費數千萬美元。
目前，MAST Upgrade能夠產生加熱到180萬華氏度的等離子體，最終的目標是把等離子體溫度提高到這個溫度的10倍。
MAST Upgrade的另一項值得一提之處是它複雜的新分流器「Super-X」，這個設計能夠有效冷卻流出的等離子和保護排氣壁。
(圖：Super-X分流器)
在託卡馬克反應堆中，分流器負責將餘熱和任何廢棄物排出，包括聚變產物和來自反應堆內襯的等離子體雜質。
典型的託卡馬克的內壁是由磁場保護的，不受內部的超熱等離子體的影響。唯一的例外是分流器，它必須經受住如同太陽表面的高溫和粒子撞擊。這意味著它們需要定期更換，這增加了反應堆運行的成本。
MAST Upgrade的設計是為了嘗試一種新的方法，在正常的等離子體排氣過程中，在熱等離子體接觸和侵蝕分流器之前冷卻。
為了冷卻等離子體，MAST Upgrade的分流器附近的新磁線圈會將排氣氣流形成並拉伸成奇異的形狀，像伸展的Super X或多管狀雪花。
這給了等離子體更多的時間和空間來輻射能量，直到它最終到達排氣壁。
研究人員的最終目標是降低溫度，使其與汽車尾氣的溫度相近。
通過減少分流器的磨損，這項技術有望為未來的聚變電廠帶來更長的使用壽命。
英國的核聚變雄心
耗資5500萬英鎊、歷時7年建成的MAST Upgrade讓英國向其目標——2040年建成英國第一座核聚變發電廠——又邁進了一步。
早在2017年，英國就啟動過核聚變反應堆ST40，同樣成功產生了等離子體，這是第一次由私人企業設計、製造和運營的世界級可控核聚變設備。
MAST Upgrade現在的試驗性運轉不會產生電力，而是為了使專家能夠收集關鍵數據，並測試MAST Upgrade採用的一切新技術，除了託卡馬克形狀的改變之外，還有增加額外加熱功率、從等離子體中提取熱量的新技術以及其他改進。
這些經驗還有望幫助世界上最大的核聚變試驗，國際熱核實驗反應堆(ITER)。ITER建於法國南部，是中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國的合作項目，有來自30多個國家的數千名科學家參與其中。
儘管英國目前參與了ITER，但在不久的將來卻可能會退出，因為英國政府退出了歐洲原子能條約，這是英國脫歐的一部分。
英國可以繼續在ITER中發揮作用，但前提是在今年12月31日英國脫歐過渡期結束前達成一項新的協議，讓英國繼續參與ITER。
本文來源前瞻網，轉載請註明來源。本文內容僅代表作者個人觀點，本站只提供參考並不構成任何投資及應用建議。（若存在內容、版權或其它問題，請聯繫：service@qianzhan.com） 品牌合作與廣告投放請聯繫：0755-33015062 或 hezuo@qianzhan.com
相關焦點
-
使用相對論效應進行雷射融合,核聚變反應堆又更進一步
一組研究人員研究了一種產生核聚變能量的新方法，結果表明，在雷射聚變研究中，超強雷射的相對論效應比目前的「快速點火」方法有所改善。這些發現可能為雷射聚變提供火花，開啟無碳能源生產的新時代。 目前的核能利用鈾等重同位素裂變成較輕的元素來發電。然而，這種核裂變的能量有很多問題，比如乏燃料的處理和熔毀的風險。核聚變是核裂變的一個很有前途的替代品。像所有的恆星一樣，我們的太陽是由輕同位素氫聚變成更重的元素來驅動的。核聚變和核裂變相比有許多優點。 -
核聚變反應堆最早可能在2025年出現,清潔能源前景一片光明!
一個可行的核聚變反應堆可能會在2025年建成，該反應堆會散發出比其消耗的更多的能量。那是9月29日發表在《等離子體物理學》雜誌上的7項新研究的總結。如果聚變反應堆達到這一裡程碑，它將為大規模產生清潔能源鋪平道路。 在聚變過程中，原子核被迫形成更重的原子。 -
世界最大核聚變反應堆進入組裝,堪稱「小太陽」比核裂變電站更先進
據雅虎新聞網7月29日消息，位於法國南部卡達拉舍的國際熱核實驗反應堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，縮寫：ITER）目前已經進入組裝階段，標誌著由歐盟、印度、日本、我國、俄羅斯、韓國和美國等七國斥巨資投入研發的項目，即將進入衝刺期，該項目的成功無疑成為自主研發維持核聚變領域的領頭羊 -
「微型核聚變反應堆」,在未來將成為現實?專家:已經在研究中
相信大家都有看過漫威的《鋼鐵俠》系列的電影，電影裡的戰甲現在已經成為了無數影迷們嚮往的東西，酷炫的造型，先進的武器，智能的AI，無一不是鋼鐵俠迷們喜愛的東西，但是影迷們或許大多只喜歡戰甲，對於驅動戰甲的微型核聚變反應堆並不是特別的在意，而科學家們卻對這樣一個「微型核聚變反應堆」頗有興趣 -
「人造太陽」背後,國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)正式開始組裝工作
在這裡，世界上最大的核聚變裝置——國際熱核聚變實驗反應堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，下稱 ITER）正式開始組裝工作。理解它最好的參照物就是太陽，太陽產生能量的原理就是核聚變，其產生的能量在 1.5 億千米之外的地球，依然能把人類的皮膚曬傷。ITER 或者其他核聚變反應堆就通俗地被大家稱作「人造太陽」。目前模擬太陽最合適的設備是託卡馬克（Tokamak）。 -
當核聚變反應堆遇上3D列印 「人造太陽」有望更快「發光」
隨著核技術日漸成熟，被譽為「人造太陽」和「人類終極能源」的可控核聚變反應堆，或有可能為人類源源不斷地提供清潔能源、造福後代子孫。這項技術的主要原理是氘和氚在高溫高壓條件下產生核聚變反應，並生成大量熱能用於發電。 -
...法國南部近日正式開始組建一個全球最大的核聚變反應堆,組件將...
【全球最大核反應堆在法國開建】法國南部近日正式開始組建一個全球最大的核聚變反應堆，組件將從世界各地運來。各國科學家此前已花費十年時間籌劃。這一名為ITER的核反應堆項目將不再像傳統核電站那樣通過分裂原子來生產能源，而是通過核裂變生產。 -
...法國南部近日正式開始組建一個全球最大的核聚變反應堆,組件...
2020-07-29 22:39:01來源：FX168 【全球最大核反應堆在法國開建】法國南部近日正式開始組建一個全球最大的核聚變反應堆 -
英國核聚變STEP計劃
羅·梅斯文（Paul Methven） 目前負責英國球形託卡馬克（Spherical Tomkamak for Energy Production，STEP）能源計劃，該計劃旨在研究核聚變作為發電技術的可行性。去年英國政府同意提供2.22億英鎊的資金。現在團隊的工作目標是開發概念設計，並確定將要建設工廠的地點。 -
可控核聚變時代即將來臨,人類再也不用為了能源而爆發戰爭了!
2020年7月28日，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃重大工程安裝啟動儀式在法國舉行，標誌著人類可控核聚變反應堆的建造又走出了堅實的一步。按照計劃人類將在2050年左右掌握核聚變技術並開始進行商業運營，人類文明也將因為可控核聚變技術的掌握而再次出現質的飛躍。 -
假如人類徹底掌控了可控核聚變,未來的世界將會發生什麼變化?
核聚變則是由質量較小的原子，在特定條件下發生原子核聚合反應，生成質量更重的原子核的過程。核聚變反應過程中，一般需要超高溫與高壓，兩個原子核發生碰撞，中子與電子會選擇逃離出去，在這個過程中會釋放大量的熱量。 不管是核裂變還是核聚變，由於原子核的質量發生變化，根據質能方程E=mc^2，損失的質量都會轉換成巨大的熱量。 -
當人類徹底掌握可控核聚變技術後,未來世界會發生什麼變化?
我們不妨先了解一下核聚變的相關知識。什麼是核聚變？核聚變的原理並不複雜，人類在20世紀30年代就開始進行核能相關理論的研究，並且以此為基礎研製了原子彈與氫彈等武器，其中原子彈是核裂變反應的典型應用，而氫彈是核聚變反應的產物。 -
六天,逆轉中國核聚變命運,美國也無能封鎖!
12020年7月28日，法國南部普羅旺斯地區的卡德拉奇，一個當今世界最深遠的國際合作項目——國際熱核實驗反應堆（簡稱：ITER）正在進行關鍵性的安裝啟動儀式，中國領導人特地發去了賀信。這個項目由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同分擔建設，是人類未來可控核聚變反應堆的原型，也是除國際空間站外最大的國際科研合作項目。一旦成功，就意味著人類徹底打開了核聚變發電的大門。ITER項目的起步，要追溯到1985年，即車諾比事故發生的前一年。 -
全超導託卡馬克核聚變實驗裝置
由於核裂變的汙染特性，可控核聚變是未來和平發展核能的終極方式。1968年8月在蘇聯新西伯利亞召開的第三屆等離子體物理和受控核聚變研究國際會議上，蘇聯的T-3託卡馬克上實現重大突破，在國際上掀起了一股託卡馬克的熱潮。 -
可控核聚變為什麼是終極能源?
而核聚是較輕的核聚變為較重的核，主要原材料是氫的同位素氘和氚，其中氘在海水中的存儲量很大大約是十萬分之一，別看這個數字很小，0.03g氘聚變產生的能量相當於300升汽油，至於地球上的海水有多少我就不提了，總之這些氘聚變產生的能量足夠為我們人類提供上億年的保障，而且氘的提取方法還很便捷，這麼好的事那去找？ -
從刀耕火種到核聚變,人類四次能源革命,都離不開燒開水
蒸汽機要運轉，就得需要依靠著煤炭能源，來實現燒開水，進而讓蒸汽去推動活塞運動，產生人類想要的能源。所以，燒開水，可以說是人類能源革命的主要來源。第一次能源革命：在蒸汽機之後，蒸汽機開始在世界範圍內，被廣泛應用到動力推進方面，這時開始出現了各種蒸汽機器，如蒸汽機車、蒸汽火車、蒸汽輪船等等。 -
深大教授的3D列印創新探索:用於人體骨骼和核聚變?
為了規避這一問題，科學家們將目光投向核聚變，核聚變發電不產生放射性廢物，而且獲得的能量更大。但由於人類至今無法控制核聚變的整個過程，核聚變也因此一直未能實現商業化。不過，隨著核技術日漸成熟，可控核聚變反應堆或將為人類源源不斷地提供清潔能源。 -
可控核聚變誕生:10克燃料養活全世界
聚變理論的第一次提出是在1920年，眼看再過兩年就是一個世紀前的東西了。但目前人類實現的核聚變，多少都面臨一個問題：（蘇聯「沙皇炸彈」試爆時的蘑菇雲）想要讓核聚變發電，首先得找個東西把聚變材料裝起來。但可控核聚變本質上就是人造太陽，常規材料肯定裝不住。 -
人類什麼時候能造出來鋼鐵俠胸口的方舟反應堆?
鋼鐵俠胸口的反應堆正是他斯塔克工廠那個大的反應堆的縮小版。但為什麼能縮小到這麼小，還能釋放出如此巨大的能量？導演說能他就能，鋼鐵俠是一部超級英雄題材的科幻電影，總不能讓超級英雄作戰時還得背上一個反應堆吧。 -
假如核聚變成功,一度電不用一毛錢?
在眾多的好消息中，尤其是HL-2M託卡馬克反應堆首次成功放電更加的引人注目，因為這關係到未來我們世界上的電量，現在大多數人認為的節能環保就是利用太陽能發電。最近，我國最高參數"人造太陽"在成都建成成功放電，所以現在的很多人開始設想，假如中國核聚變成功了，那麼將徹底解決人類的用電問題？