11月23日,韓國聚變能源研究所在大田總部舉行新聞發布會,宣布成功將韓國超導託卡馬克核聚變研究裝置KSTAR的超高溫等離子體在1億攝氏度的溫度下保持20秒,韓國的核聚變技術由此上升到世界最高水平。
韓國聚變能源研究所負責人表示,自KSTAR裝置2008年開始運行以來,平均每年進行2000至3000次試驗,經過10年25860次實驗才取得這一成果。
(KSTAR韓國超導核聚變裝置。圖源:百度百科)
2018年,KSTAR研究中心首次成功將等離子體保持在1億攝氏度下1.5秒。此前,美國和日本的研究團隊在1999年成功地將等離子體溫度提高到1億攝氏度。目前,美國、日本和歐洲團隊的等離子體保持時間最長約為7秒。2018年,中國的核聚變研究裝置「中型超導託卡馬克(EAST)」實現了保持10秒的世界最高紀錄。
(中國中科院等離子物理研究所完全自主研製的全超導託卡馬克核聚變實驗裝置——東方超環,簡稱EAST,被譽為「人造太陽」。圖源:網絡)
有「韓國太陽」之稱的KSTAR裝置,是國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)項目的一部分,是世界上首一個採用新型超導磁體(Nb3Sn)材料產生磁場的全超導聚變裝置,磁場強度是使用鈮鈦系統核聚變裝置的3倍多。該裝置始建於1995年,2007年完成,2008年開始運行,設備耗資約4億美金。
KSTAR項目研究團隊規模約為300人,目前計劃進一步完善KSTAR裝置,將分流器材料改為耐熱性和抗衝擊性強的鎢金屬;2030年將建造驗證性發電設備「DEMO」, 最終於2050年實現熱核聚變能源商業化。
研究可控核聚變對人類的意義
核能是能源家族的新成員,包括裂變能和聚變能兩種主要形式。
其中,核聚變指的是較輕原子核(例如氘和氚)在一定條件下(如超高溫和高壓)結合成較重原子核(例如氦),過程中會釋放巨大能量。例如,在太陽中心就存在這種反應,每一秒鐘,太陽中心溫度1500萬攝氏度的高溫會將6.2億噸氫聚變為6.16億噸氦,餘下的0.04億噸則轉化為能量,向太陽系散發光和熱。
(核聚變示意圖。圖源:科技日報)
由於核聚變燃料可來源於海水和一些輕核,所以核聚變燃料是無窮無盡的。 目前人類已經可以實現不受控制核聚變,如氫彈的爆炸。科學家正在努力研究可控核聚變,使其成為未來的能量來源。
受控熱核聚變能的研究主要有兩種——慣性約束核聚變和磁約束核聚變。
上文中的韓國KSTAR、中國EAST,都是磁約束型全超導託卡馬克核聚變實驗裝置,其運行原理是在裝置的真空室內加入少量氫的同位素氘或氚,通過類似變壓器的原理使其產生等離子體,然後提高其密度、溫度使其發生聚變反應,反應過程中會產生巨大的能量。
2017年12月5日,中國自主設計和研製並聯合國際合作的重大科學工程——中國聚變工程實驗堆(CFETR)在合肥正式啟動工程設計,中國核聚變研究由此開啟新徵程。
CFETR計劃分三步完成「中國聚變夢」。第一階段到2021年,CFETR開始立項建設;第二階段到2035年,計劃建成聚變工程實驗堆,開始大規模科學實驗;第三階段到2050年,聚變工程實驗堆實驗成功,建設聚變商業示範堆,完成人類終極能源。
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