人造太阳核聚变,是理想的终极能源吗?
能源是驱动万物运行的根本动力。
现今人类使用的能源主要有化石能源(煤、石油、天然气)、风能、水能、太阳能和核能(核电站发电),但这些能源都存在诸多缺陷,如面临资源枯竭、环境污染、危害健康和生命(核电站事故产生辐射)、受限于气候或地理条件等,因而不能全面和充分地满足人类需求。
然而,核聚变产生的能源,既可以充分满足人类需求,又没有污染环境和危害人类、生物的弊端。
人类生产和生活的各个方面,都可以采用核聚变能源。虽然不是"永动机",但核聚变可以超长时间地提供能源。
核聚变的产物为氦和中子,不排放有害气体,也不危害生命和健康,有助于让生态和环境保持良好状态,减少地球上的温室效应、酸雨、雾霾。而且,由于原料从海水中就能获得,核聚变能源的获得成本将极为低廉。
我国从2020年12月4日HL-2M在成都建成并实现首次放电,到2021年5月28日EAST创造新的世界纪录,近年来,我国核聚变发展取得重大突破。
万物生长靠太阳。
太阳的核心温度在1 500万~2 000万摄氏度,而地球上的金属材料在1 000摄氏度左右就会融化。西物院聚变科学所副所长钟武律介绍,中国的"人造太阳"所要做的,就是在地球上建一个能够承受住1亿摄氏度、甚至超过2亿摄氏度高温的装置。
这种装置的原理是和太阳发光发热的原理是类似的,就是核聚变的原理,所以它不是一个新的太阳,而是一个聚变装置,或者我们说它是一个聚变堆,我们最终的目的就是要利用它来实现核聚变,并且释放能量,用来发电。
核聚变实际上是整个宇宙的能源,建造"人造太阳"也是为了通过核聚变反应持续稳定地输出能量,最终解决人类的能源问题,从而造福人类。由于核聚变的原理和太阳发光发热的原理很相似,所以,这些以探索聚变清洁能源为目的的装置被人们称为"人造太阳"。
"人造太阳"是如何发电的
目前,EAST、HL-2A、HL-2M都属于"人造太阳"实验装置。
而HL-2M是我国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。这个装置是我国自主设计建造,采用了先进的结构和控制方式,具有先进的偏滤器位形的优势。它是我国目前规模最大、参数最高的托卡马克装置,它的体积是目前国内现有装置的两倍以上,等离子体的电流能力可以提高到2.5兆安,等离子体离子的温度可以达到1.5亿摄氏度,也就是说是太阳核心温度的10倍。
核聚变,又称核融合。简单地说,就是两个质量较轻的原子核融合在一起形成一个重核的过程,它与核裂变原理相反。人类已经可以实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸。
钟武律介绍,想利用核聚变能,就必须要让核聚变变得可控,这就意味着必须要满足三个非常苛刻的条件:
"第一,它需要的温度特别高,因为只有温度特别高,这个原子核才会具备足够高的动能,也就是原子核才会跑得更快。
第二个,等离子体的密度要足够高,高的概念就是原子核之间碰撞发生聚合反应的概率要提高。
第三,就是要长时间地控制住这些原子核,就是将高温、高密度的核反应条件维持足够长的时间,
这样才能够使核聚变发生,并且可以持续下去。"
然而在地球上,没有任何材料可以把1亿摄氏度高温的等离子体给直接包裹起来。但是科学家想到了一个办法——用强磁场的方式,把带电粒子约束住。
"人造太阳"离我们并不遥远。
我国核能发展实施"热堆—快堆—聚变堆"三步走战略中,将聚变能作为解决能源问题的最终一步。
人类对于清洁能源的期待是没有废气、没有放射性废物排放且资源丰富的一种能源。
核聚变能恰恰就是这样一种能源。
第一,核聚变的反应燃料,它的资源是非常丰富的,其中核聚变反应的燃料氘是可以从水里面提取的。
第二,核聚变的反应是具有固有安全性的,它不存在所谓的不可控,不会存在所谓的爆炸。
第三,因为核聚变反应不会排放废气,不会有温室气体的产生,也不会产生长寿命的放射性产物。
所以,它是目前人类认识到的最理想的能源。
当下,从国际国内核聚变研究发展的概况和现状来看,业界普遍认为,预计在21世纪中叶能够实现核聚变能的商业应用。
毕竟支撑人类社会运转的几乎一切能源,从煤、石油、天然气,到风能、生物能,其本质都是太阳能,而太阳上的能量来自内部的核聚变反应。当人类发现太阳产生能量的原理(核聚变)之后,便找到了无限能源的可能性。
更重要的是,核聚变技术是一项几乎完美的技术,不会产生污染且近乎于无限使用。未来一旦掌握这项技术,人类将踏入无限能源时代。
核聚变能一旦实现和平利用,地球上的能源将取之不尽、用之不竭,因能源短缺带来的社会问题可以得到彻底解决,人们的生活水平也将因此而得到极大提高。
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