「人造太陽」邁向實際應用還有多遠?

2021-01-16 財富中國網

2020 年 12 月 4 日 14 時 02 分,被稱為 「人造太陽」 的核聚變裝置 —— 中國環流器二號 M 裝置(HL-2M)在成都啟動並實現首次放電,這標誌著中國自主掌握了大型先進託卡馬克裝置的設計、建造和運行技術,核電研究能力再次取得重大進步。

HL-2M 託卡馬克反應堆是目前中國最大、最先進的磁約束核聚變實驗研究裝置,該項目於 2009 年由國家原子能機構批覆立項,由中國核工業集團西南物理研究院(SWIP)自主設計建造,科學家們希望該設備釋放強大的清潔能源,它使用強大的磁場來約束等離子體發生核聚變反應,最高核心溫度可以達到 1.5 億攝氏度,約是太陽核心溫度的十倍。

核聚變能量有許多潛在的吸引力。首先,它的燃料氫的同位素是相對豐富的,必要的同位素燃料之一:氘,可從海水中提取,一公升海水裡提取出的氘,在完全的聚變反應中可釋放相當於燃燒 300 公升汽油的能量;而另一種同位素燃料:氚,可通過中子與鋰反應生成,在地殼和海水中,鋰都大量存在。此外,相對於傳統的核反應堆所產生的汙染物,核聚變產生的核廢料半衰期極短(低管理成本、核洩漏時總危害較低、最多只有一公裡內需要撤退)、安全性也更高(不維持對核的約束便會停止反應)。

在太陽內部就是通過原子核的核聚變產生能量,把氫原子聚變成氦原子,約以每秒鐘 6.2 億噸氫的核聚變發光發熱,這也是受控核聚變裝置被形象地稱為 「人造太陽」 的原因。

關於核聚變的原理並不神秘,1920 年就被科學家提出。1940 年代,用於軍事目的核聚變開始被研究,1950 年代以後,人類轉向探索用核聚變創造能量。根據質能方程 E=mc,原子核中蘊藏巨大的能量,原子核之淨質量變化(反應物與生成物之質量差)可造成能量的釋放。

如果是由重的原子核變化為輕的原子核,稱為核裂變,如原子彈爆炸;如果是由較輕的原子核變化為較重的原子核,稱為核聚變,例如氫彈。

其原理看似簡單,但要讓核聚變做到精準 「可控」,讓能量持續穩定輸出難於上青天,因為用來發電不能像氫彈那樣一下子釋放完全部能量。

一般條件下氘核與氚核的混合態不會產生持續的核聚變,核子必須靠外部能量聚合在一起,就算在溫度極高、密度極大的太陽中心,平均每個質子要等待數十億年才能參與一次聚變。且由於原子核帶正電,彼此間會互相排斥,所以很難使其彼此互相接近,若要克服其相斥的力量,就必須適當地控制等離子體的溫度、密度和封閉時間,此三項條件缺一不可。

由於等離子體很快就會飛散開來,所以必須先將其封閉。太陽內部是利用巨大重力使等離子體封閉,而在地球上,則必須採取別的方法,等離子體只有被加熱到了 1 億度以上才可能實現可控核聚變,在地球上,沒有任何材料可以把 1 億度高溫的等離子體給包裹起來,而強磁場便是科學家發明的其中一種方式。

當等離子體帶電時,電荷被卷在磁力線上,因此只要製造出磁場,就能夠將等離子體封閉,使它們懸浮在真空中,利用磁場,拘束住高熱等離子體中的帶電粒子,使它們進行螺線運動,進一步加熱等離子體,直到產生核聚變反應。

目前,在建的世界上最大的實驗性託卡馬克反應堆為法國南部的國際熱核聚變實驗反應堆(ITER),建設開始於 2007 年,該項目同時由歐盟、印度、日本、中國、俄羅斯、韓國和美國等七個成員國進行資助和運行,歐盟作為 ITER 設施主辦方,貢獻的費用有 45%左右,中國則承擔了 ITER 裝置近 10% 的採購包,該設施的目標就是推動等離子體前沿物理實驗研究,讓核聚變發電技術大規模應用由期待變成現實。

根據國際熱核實驗堆的設計,ITER 是要實現從 50MW 的輸入功率上生產出約 500MW 的聚變功率,長脈衝持續時間為 400~600 秒,通過在其約 840 立方米的反應室聚變約 0.5g 氘 / 氚混合物。

專家估計它將在 2025 年 12 月進行第一階段測試,若實驗成功,將協助第一批核聚變發電廠在 2040 年前投入運行,ITER 最初預計將耗資約 100 億歐元,但隨著原材料價格的上漲和設計的改進,目前投入已超過 160 億歐元,總成本預估將達 200 億歐元左右。

和平利用核聚變對於每個能源消耗大國來說都是一項重大戰略項目。自上世紀 70 年代以來,中國科學家們也一直在研究開發較小版本的核聚變反應堆,集中選擇託克馬克設施為主要科研方向。

在中國環流器二號 M 裝置(HL-2M)之前,先後建成並運行了小型 CT-6(中科院物理所)、KT-5(中國科技大學)、HT-6B(中科院等離子體所)、HL-1(SWIP)、HT-6M(中科院等離子體所)及中型 HL-1M(SWIP)等項目。

未來十年,重點會在 EAST 和 HL-2M 兩個主力裝置上開展高水平的實驗研究。

其中,中國科學院等離子體物理研究所的先進實驗超導託卡馬克實驗裝置(HT-7U)也被稱為 「東方超環」,項目後來更名為 EAST。2006 年 9 月 28 日,該裝置首次成功放電,2017 年 7 月 3 日,實現了穩定的 101.2 秒穩態長脈衝高約束等離子體運行,成為了世界上第一個實現穩態高約束模式運行持續時間達到百秒量級的託卡馬克核聚變實驗裝置。

2018 年 11 月 12 日,EAST 首次實現加熱功率超過 10 兆瓦,等離子體儲能增加到 300 千焦,等離子體中心電子溫度首次達到 1 億度,獲得的多項實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件。

而 HL-2M 的建成,能利用獨特的先進偏濾器位型,開展高功率條件下的邊界等離子體物理實驗,特別是探索未來示範堆高功率、 高熱負荷、強等離子體與材料相互作用條件下,粒子、熱流、氦灰的有效排除方法和手段,與 EAST 裝置形成互補,將使我國堆芯級等離子體物理研究及相關關鍵技術達到國際先進水平,也能快速吸收消化國際熱核聚變實驗堆帶來的前沿技術探索。

在科幻電影中,無論是流浪地球中行星發動機,還是鋼鐵俠胸口的方舟反應爐,亦或是星際迷航中的曲速引擎,都讓人們對於強大能量、能源的充滿想像,而可控核聚變技術則是科學家眼中的能量聖杯,且有望在不久的將來照進現實。

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  • 我國人造太陽,首次實現1億度!人類距離可控核聚變還有多遠?
    人造太陽 中國人造太陽 實際上人造太陽並不是太陽,之所以叫人造太陽,是因為這個裝置產生能量的方式與太陽產生能量的方式非常的類似,都是通過核聚變反應來產生能量的,當然還有我們最熟悉的氫彈也是核聚變
  • 「人造太陽」還有多遠?
    ITER項目是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一,它旨在模擬太陽的核聚變反應產生能量並實現可控利用,俗稱「人造太陽」。該項目有望最終解決人類能源問題。人類合力「造太陽」    ITER計劃2006年應運而生,由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度7方參與,計劃在法國普羅旺斯地區共同建造一個電站規模的聚變反應堆,也即世界上最大的託卡馬克裝置。
  • 中國「人造太陽」達1億度以上運行,使用「核聚變能」還有多遠?
    中國現在「人造太陽」達到1億度以上運行,這意味著我國核聚變技術又上升到一個新的臺階。什麼樣的裝置能耐如此高溫?距離世界先進水平還有什麼差距?此前,中國科學院等離子體所2018年11月12日發布消息,我國「人造太陽」項目獲得重大突破,首次實現加熱功率超過10兆瓦,等離子體儲能增加到300千焦,等離子體中心電子溫度首次達到1億度。不過,按照現在的研究進展,人類實現聚變能的商業化應用至少還要等到2035年以後。
  • 科學網—「速溶」人造血離應用有多遠?
    ■本報記者 馬佳圖片來源:谷歌圖片 科學家對人造血液的研究已經有半個多世紀,但是還沒有在臨床上大量應用。 如今,羅馬尼亞的研究人員又為這個領域的研究增添了一些希望。據國外媒體10月30日報導,羅馬尼亞巴貝什—博堯依(Babe—Bolyai)大學研究人員最新研製出一種人造血液,並且已經在實驗室對老鼠進行了實驗,沒有發現任何副作用。報導稱,羅馬尼亞研究的人造血液有望用於人體血液。 那麼,如果人造血液研製成功,能夠完全代替人體血液嗎?
  • 全球最大「人造太陽」核心安裝開啟,人類離「造太陽」還有多遠?
    (中核集團供圖)可控核聚變裝置俗稱「人造太陽」,是照亮人類未來的終極能源夢想。近日,我國傳來好消息:由中核集團牽頭的中法聯合體為「人造太陽」核心設備安裝工作全面開展創造了有利條件——這是中國向核能高端市場邁出的實質性步伐,將為我國深度參與聚變國際合作、自主設計建造未來中國聚變堆奠定堅實基礎。
  • 中國人造太陽實現重大突破!問題來了,中國有幾個人造太陽?
    基於這個科學目標,可控核聚變的反應裝置也被稱為「人造太陽」。要想將「人造太陽」運用到實際中,就必須突破保持中心超高溫和持續時間的技術,這是全世界科學家都想要解決的難度。我國在「人造太陽」方面的研究屢次打破世界紀錄,但大家被這方面消息刷屏的同時可能會感到疑惑,「人造太陽」究竟是一個,還是很多個?
  • 中國「人造太陽」能達1億度以上運行,距利用核聚變能還多遠?
    中國現在「人造太陽」達到1億度以上運行,這意味著我國核聚變技術又上升到一個新的臺階。什麼樣的裝置能耐如此高溫?距離世界先進水平還有什麼差距?此前,中國科學院等離子體所2018年11月12日發布消息,我國「人造太陽」項目獲得重大突破,首次實現加熱功率超過10兆瓦,等離子體儲能增加到300千焦,等離子體中心電子溫度首次達到1億度。不過,按照現在的研究進展,人類實現聚變能的商業化應用至少還要等到2035年以後。
  • 為什麼要人造太陽?
    「東方超環」是我國自主設計研製的磁約束核聚變實驗裝置,也被稱為「人造太陽」,因為它的目標就是像太陽一樣發生核聚變為人類提供能源。與2018年首次實現1億度溫度相比,這次的創舉實際上是將1億度維持了近10秒,是東方超環取得的重大突破。如果能較長時間維持1億度的高溫,那人類距離解決核聚變商業化應用真的就不遠了。
  • 人造腎臟離我們還有多遠?1-2年內有望進入人體試驗!
    (誰都不想因為CKD的疾病環境,讓新長出來的腎臟細胞迅速衰老吧)好在世界各國的科學家們,憑藉著過人的智慧,攻克了一項項技術難關,iPS細胞也終於成功被應用到了人體。人造腎臟細胞,離我們還有多遠?相信這也是廣大腎友最為關心的問題。
  • 人造太陽
    「那麼,問題來了,天上有個太陽,為什麼還要造個太陽?」人造太陽「和太陽有什麼不同?它們的溫度哪個更高?人造太陽多了,會不會又被一個叫后羿或者前什麼的人給射下來?帶著許多的不明白,我去問了度娘。她說,人造太陽,只是一個俗稱,它真正的名字是國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,ITER最大的能耐是可以產生大規模的核聚變反應,從而向宇宙釋放大量的光和熱。
  • 人造太陽「現身」!好好的太陽,為啥還要人造呢?
    人造太陽,不由得讓人想起一首兒歌《種太陽》。 可別說,之前還真有一個科學家迪斯科版《種太陽》在網際網路上大火,官方調皮,最為致命。 這個「種太陽」種的也就是「人造太陽」,這是打開核聚變能量的「閥門」,是通往人類終極能源的鑰匙。
  • 人造太陽是什麼?和太陽的差距在哪裡
    太陽如此重要,因此被古人視為神靈,對它非常崇拜,以至於出現日食就會大規模恐慌。到了現在,人們對太陽進行了深刻的研究,了解了太陽的很多秘密,有觀察到的,有計算出來的,有猜想的,總之,太陽的真面目終於慢慢暴露在人們的面前。研究出了太陽的秘密,科學家自然就想創造一個太陽,而真實的太陽質量是地球的33萬倍,科學家自然無法造一個和太陽一樣大的,哪怕再怎麼研究太陽。
  • 走近「人造太陽」|有太陽,為什麼還要人造「太陽」?
    「EAST是中國自主研發的,世界上第一個全超導磁體、非圓截面託卡馬克實驗裝置,它擁有類似太陽的運行機制,因此又有『人造太陽』之稱。」中科院合肥物質科學研究院副院長、等離子體物理研究所所長宋雲濤說。有太陽,為什麼還要造「人造太陽」?科研人員介紹,因為煤、石油、天然氣未來有枯竭的危險,還存在一定的環境汙染。
  • 「人造太陽」將噴薄而出
    在地球上模擬太陽,利用熱核聚變為人類提供清潔能源,中國的科學家們正朝這一理想加快前進步伐。能夠穩定輸出安全能源的「人造太陽」將在中國冉冉升起。  目前,由中科院等離子體物理研究所設計製造的EAST全超導非圓截面託卡馬克實驗裝置大部件已安裝完畢,進入抽真空降溫試驗階段。
  • 人造的「太陽」來了
    記者從國家原子能機構獲悉,12月4日14時02分,新一代「人造太陽」裝置——中國環流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成並實現首次太陽之所以能發光發熱,靠的是其內部發生的核聚變反應。因此,核聚變裝置被人們形象地稱作「人造太陽」。
  • 中國「人造太陽」現身!問題來了:太陽好好的,為啥還要造?
    於是在核技術不斷創新的今天,人們對於建設一個類似「人造太陽」的願望愈發強烈。那「人造太陽」為什麼就能無限供應能源呢?「人造太陽」產能的原理是什麼?太陽是利用核聚變反應,不斷向地球輸送能源的,「人造太陽」當然也需要藉助核技術。
  • 江西省「人造太陽」首次成功放電|人造太陽將意味著什麼?
    最近,人造太陽取得新進展,人造太陽1億度新成果引關注。那麼人造太陽1億度有什麼意義呢?人造太陽是什麼?一起來了解一下。 1月12日,在南昌大學江西省聚變能與信息控制重點實驗室,由江西省科研人員自主設計、製造及運行的「人造太陽」裝置——我國首個可實現壓縮融合啟動等離子體電流的球形託卡馬克裝置(NCST)正式投入運行並實現首次成功放電,填補了江西省在磁約束聚變基礎實驗研究領域的空白。