最強能源加強500倍!美國啟動氘-氚受控核聚變

2020-12-06 快科技

核聚變研究進入全新階段。據美國《科學》雜誌在線版15日消息稱，美能源部下屬桑迪亞國家實驗室日前在其世界最強輻射源——「Z機」（Z machine）裝置內開啟了氘—氚受控核聚變實驗。當未來氘—氚比例達到50∶50時，它所產生的能量將是現有最大能量的500倍。

受控核聚變若能成功，幾乎能使人類擺脫能源危機的困擾。其所需的原料——氫的同位素氘從海水中就可以提取，據估測，1升海水中提取出的氘若完全參與聚變反應，放出的能量相當於300升汽油燃燒釋放的能量。而氫的另一種同位素氚，又名超重氫，半衰期為12年，極為珍貴和危險，但它與氘之間的聚變卻最為容易，遠遠勝於目前常見的氘—氘聚變。

研究團隊將氚—氘的混合物加注到設備燃料中，在加入氚之後，「Z機」會激發出更大的能量，其原本已經很驚人的產生中子數上限將得到前所未有地大幅飆升，當燃料與強電磁場融合時，中子數會提高60倍至90倍，新混合燃料產生的能量也將是原來的500倍。

然而，這種方式不能一蹴而就，在實驗中第一次添加的氚僅用了不到氚總量的0.1%，在接下來5年中，繼續添加到燃料中的氚和氘比例才能達到50∶50。

該項目團隊高管邁克?庫尼奧表示，創造出如此巨大能源的設備此前從未出現過。

與位於勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置（NIF）不同的是，「Z機」的磁場可以約束出現的α粒子，並沿著場線將它們捕獲，從而匯集更多的能量來維持聚變。

不過，氚分子體積太小容易滲透到設備的任何部位，使用時需在設施控制以及輻射防護方面達到相當高的要求，實驗必須非常謹慎地進行，團隊也將在可控制的情況下逐漸增加燃料投放比例。

總編輯圈點

核聚變稱得上是電力工業的「聖杯」，它清潔、低廉、安全，而且沒有限量。「Z機」是目前世界上最強大、最高效的實驗室脈衝輻射源，其利用強磁壓配合大電流，可模擬重現恆星及其內核的極端環境。

同時，其在核聚變上的潛力為解決能源危機提供了一種可能，一經點燃，它便可以在七百億分之一秒的脈衝中釋放相當於全球發電總量80倍的電量。開啟「氘—氚」模式後，核聚變的未來又將開啟新的篇章。

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  • 可控核聚變鍾愛誰?氕氘氚中為何選擇了這種?
    核聚變是較輕的兩個原子核在一定條件下融合為一個較重的原子核並釋放出能量的過程。太陽上進行著核聚變並向外釋放著能量，人類使用的能源有很大的比例歸根到底就是來自於太陽能。目前人類雖然能夠依靠核聚變製造出氫彈，但是氫彈是不可控的，釋放的巨大能量並不能被人類利用。
  • 核聚變發電是什麼?
    核聚變發電是什麼？核聚變是較輕的原子核聚合成較重的原子核的反應。這種反應必須在極高的溫度下進行，所以又叫做熱核反應。核聚變放出的能量比核裂變還要大10倍，是一種嶄新的能源。核聚變的原料主要是氫、氘和氚。
  • 人類為什麼非要在「氚–氘」核聚變一棵樹上吊死?其他核聚變呢?
    人類能夠實現的核聚變主要是用的氫元素的兩種同位素氘和氚，氫元素的原子核裡只有一個質子，有一個中子的是氘，有兩個中子的是氚，沒有中子的是氕。哪些元素可以通過聚變釋放出能量，哪些元素可以通過裂變釋放出能量與比結合能有關。一般而言，比結合能越小，就越能夠聚變成新元素，並且釋放出的能量也相對較多。如下圖所示，氘的比結合能較小，非常適合用來做核聚變材料。
  • 核聚變能源有望在2030年之前實現
    英國託卡馬克能源公司表示，等離子體測試是世界上第一個用核聚變能源生產商業電力的裡程碑，可能在2030年實現。該公司以真空室命名，在強大的磁場中包含聚變反應。6月初該公司宣布在實驗ST40聚變反應堆中製造超高溫等離子體。這次成功的測試——託卡馬克能源公司迄今為止獲得的最高等離子溫度——意味著該反應堆將於明年準備進行一次更熱的等離子體測試，溫度超過1.8億華氏度(1億攝氏度)。
  • 能源歸途：核聚變
    聚焦核聚變太陽之所以能發出巨大的光和熱，是因為其內部無時無刻不在進行著核聚變反應，從而釋放出大量的聚變核能。核聚變又稱「核融合」、「熱核反應」，與核裂變不一樣，它不是重原子核的分裂，而是由質量輕的原子（主要是指氫的同位素氘和氚）在超高溫條件下，發生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核（氦）並釋放出巨大的能量。
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    氫的同位素氘原子和氚原子，當溫度升高到幾千萬甚至上億攝氏度時，原子核就有足夠的能量，克服各個原子之間的排斥力，在相互碰撞中聚合成為一個較重的原子核，這就是核聚變在聚變過程中可放出大量的能量。因為核聚變是在很高很高溫度下進行的，所以又叫熱核應。大陽和恆星內部時刻在進行核聚變，所以才放出巨大的光熱。人類希望利用核聚變獲得能量，也就是製造出人造的小太陽。人類希望聚變過程中釋放能量是可控制的，也就是可以控制核聚變的反應過程，這就叫做受控核聚變。
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    核聚變能是兩個較輕的原子核結合成一個較重的原子核時釋放的能量，聚變的主要燃料是氫的同位素——氘和氚。　　太陽發光發熱的原理正是核聚變反應。中國國際核聚變能源計劃執行中心主任羅德隆說，太陽的中心溫度極高，氣壓達到3000多億個大氣壓，在這樣的高溫高壓條件下，氫原子的兩個「同胞兄弟」——氘和氚聚變成氦原子核，並放出大量能量。「太陽猶如一個巨大的核聚變反應裝置，幾十億年向外輻射能量。」
  • 人類研究可控核聚變使用的是氚–氘,可以使用其他元素嗎?
    理論上任何低於鐵的元素都可以進行核聚變反應，並釋放大量能量，但是目前人類引發核聚變的手段，主要靠提高溫度，在所有核聚變當中，氫元素的核聚變反應所需溫度最低，其中又以氘-氚的聚變最容易實現。相比之下，其他元素的核聚變條件更高，比如在大質量恆星的內部，擁有比太陽內部更高的壓力，其中碳的核聚變需要大約2億度，氖的核聚變需要10億度，氧的核聚變需要20億度，矽的核聚變需要30億度。
  • 核衰變、核裂變、核聚變區別(大眾科普)
    核聚變，即輕原子核（例如氘和氚）結合成較重原子核（例如氦）時放出巨大能量。因為化學是在分子、原子層次上研究物質性質，組成，結構與變化規律的科學，而核聚變是發生在原子核層面上的，所以核聚變不屬於化學變化。 熱核反應，或原子核的聚變反應，是當前很有前途的新能源。
  • MIT實現可控核聚變新突破 無限能源不遠了?
    今日美國科學家通過改良實驗手段，成功製造出了破紀錄的等離子壓強。而等離子體的高壓是實現可控核聚變關鍵因素之一。此舉標誌著受控核聚變距離成為一種實際可用的能源來源又向前邁進了一步。由於具有清潔無汙染、原料幾乎取之不盡（可以直接使用海水）、安全性高等優點，核聚變被視為一種近乎用之不竭的理想能源
  • 人造小太陽之磁約束核聚變 | 中國工程院院刊
    ITER的作用和任務是利用具有電站規模的實驗堆證明氘、氚等離子體的受控點火和持續燃燒，驗證聚變反應堆系統的工程可行性，綜合測試聚變發電所需的高熱流和核部件，實現穩態運行，從而為建造聚變能示範電站奠定堅實的科學基礎和必要的技術基礎。
  • 可控核聚變到底是什麼?
    重核聚變啟動的條件要比輕核聚變啟動的條件更為苛刻，我們人類目前是無法啟動重核聚變的，而現在的太陽正處於主序星階段，所以和我們人類目前使用的核聚變材料相同，都為氘和氚。當以氘和氚為聚變燃料時，一個氘和一個氚會結合為一個氦原子，融合時會有質量的損失。
  • 核二三事 | 淺談核聚變
    核聚變（Nuclear Fusion），又稱核融合、融合反應、聚變反應或熱核反應，是在極高的溫度和壓力下將兩個較輕的核（主要是氘和氚）結合形成一個較重的核和一個較輕核(或粒子)的一種核反應形式。在此過程中，物質沒有守恆。因為有一部分正在聚變的原子核的物質被轉化為光子（能量）。
  • 核聚變將最終成為未來的能源嗎?
    按目前世界能量的消耗率估計, 地球上蘊藏的核聚變能可用100億年以上。因此從原理上講, 聚變能可以成為人類取之不盡、用之不竭的能源。實際情況真的如此嗎?人類離可控核聚變還有多遠?《科學通報》發表中國原子能研究院研究員陳永靜撰寫的「核聚變將最終成為未來的能源嗎?」一文，介紹了核聚變基礎知識和可控核聚變的發展及現狀。
  • 磁場約束核聚變—託克馬克裝置
    隨著受控核裂變發電獲得成功，世界範圍內大規模核電站建設迅速展開，並投入商業運行。在核聚變實現後，同樣，人們也試圖能和平利用受控核聚變，如建立受控核聚變發電廠。與利用核裂變發電相比，利用受控核聚變的能量來發電具有許多優點：一是理論和實踐都證明，核聚變比核裂變釋放出的能量要大得多；二是資源蘊藏豐富，作為重核裂變主要原料的燃料鈾，目前探明的儲量僅夠使用約一百年，而 輕核聚變用的燃料氘在海水中儲藏豐富，1升海水可提取30毫克氘，通過聚變反應能釋放出相當於300公升汽油的能量。
  • 一分鐘了解,核聚變情況,體驗下新能源新動力
    核聚變熱核應，或原核之變應，具頗為新能源。參核應之輕原核，如氫、氕、氘、氚、鋰等從熱動得之，而致之聚變應。熱核乃為氫彈爆也，可於大熱，然非可用。若使熱核應在必約內，因人之意有控而制，即行受控熱核應。此正在究之題。