終極能源是什麼,終極能源是取之不盡,用之不竭的能源,人類只需要花費很少的原料投入,就能得到巨大的能源產出。這對解決世界能源問題有非常重要的意義,象徵著人類可以從能源上突破自然的限制,頂尖的科學家們在這條路上前僕後繼。
世界上最大的人造太陽
ITER,國際熱核聚變實驗堆,也就是我們現在簡稱的人造太陽,是世界上目標最為宏大的科學能源項目,主要目的是為了人類製造完美的能源。完成這麼一個科學項目是一個非常複雜的工程,需要全世界最聰明的科學家來參與。
ITER的研究活動對於未來推進聚變科學和聚變電廠的建設發揮著至關重要的作用,它確保了基於聚變的電力生產所需要的技術、材料和設備的功能的先進性和可用性。它將是世界上第一個持續產生淨能量的聚變設備。
託卡馬克是什麼
核聚變實驗中最為重要的就是託卡馬克,一個磁聚變裝置,通過利用磁約束來將熱等離子集中在核心。ITER的託卡馬克是在35個國家的共同努力下建成的,位於法國的南部。
託卡馬克產生的核聚變的能量是直接從其核反應堆的核心產生的。容器越大,能夠產生的等離子的體積也就會越大,因此聚變能產生的潛力也越大。
人造太陽的建設
這個想法最早是是1985年提出的,成千上萬個科學家和工程師為此前僕後繼,做出了非常巨大的貢獻。ITER主要有7個成員,分別是中國、歐盟、印度、日本、俄羅斯和美國,至今已經合作了35年了,成員國們將一起建造能夠實現聚變反應堆所需的實驗裝備。
人造太陽的原理
「人造太陽」具體要如何實現呢?科學家根據太陽的動能原理想到了一個辦法,就是把一團上億攝氏度的等離子體火球,用磁場將其懸浮起來,與周圍的容器保持距離,從而對其進行加熱, 控制,看起來就像是一個「太陽」。
ITER的託卡馬克能產生的等離子量是當今世界上最大的生產機器的10倍,我們一起來看看它到底能夠實現什麼?要讓核聚變能夠被人類所利用,首先需要將氘、氚的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度,並需要至少持續1000秒,才能形成持續反應。
第一,它能夠產生500兆瓦的聚變功率。核聚變世界紀錄的保持者是歐洲託卡馬克JET,1997年,JET從24兆瓦的總輸入加熱功率中產生了16兆瓦的聚變功率(Q = 0.67),然而人造太陽將旨在產生10倍的能源回報,也就是說輸入50兆瓦的總輸入加熱功率將產出500兆瓦的聚變功率(Q = 10),因此它是歷史上第一個能產生淨能量的機器。
第二,它是一個聚變電站的試點,為未來的發電站提供可靠的技術支持。
第三,通過內部加熱來提高「熱等離子」的門檻。聚變所產生的能量能夠有效地被限制在熱等離子中一段時間,科學家認為人造太陽不僅能夠增加獲得的聚變能,還能延長熱量在熱等離子中的時間。
那麼核聚變究竟是什麼?具體是如何實現的呢?
聚變是太陽和其它恆星的能量來源,這些星體的核心含有巨大的熱量和重力,氫核相撞,融合成更重的氦原子,並在此過程中釋放出大量能量。
在實驗室中要實現聚變要滿足三個重要的條件,溫度,等離子密度和時間。溫度要達到大約150,000,000°C,而且空間中等離子的密度要很強,其產生碰撞的機率才比較大,以及足夠讓粒子膨脹的時間。
既然人造太陽作為解決能源問題的重要解決方案,想必有很多國家也在進行著類似的實驗,那麼我們國家有屬於自己的人造太陽嗎?有的。
中國的人造太陽
中國也有自己的人造太陽項目,叫做「EAST」,突破了世界技術的多項極限,集中了超高溫、高低溫、超大電流、超強磁場等多種特點。中國的人造太陽國產化率達到了90%以上,自主研發水平在70%左右。與ITER相比,我們的EAST項目只有其1/4的大小,中國人造太陽的實現對ITER的建設有非常重要的啟示。
2017年中國的人造太陽創造了101.2秒的高約束等離子運行,突破了世界現有的記錄。在中國科學家的不斷努力之下,2018年EAST裝置實現1億攝氏度等離子體運行。事實上中國的人造太陽技術已經處於世界的領先地位。
小結:
人造太陽是人類根據太陽和恆星能量產生的原理所製造出來的一種能源生產方式。是通過將溫度極高的等離子火球在磁場中懸浮起來,進行加熱和控制而實現的。目前世界上最大的在建人造太陽項目叫ITER,集合了世界上最聰明的科學家。我們中國也有自己的人造太陽,而且實現了多項技術的重大突破,讓未來的完美能源可期。
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