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聊聊可控核聚变

市场孱弱的阶段,可控核聚变概念一枝独秀。

难度降维到幼儿园。

简单说,可控核聚变就是通过人工控制轻原子核(如氢同位素氘和氚)结合成较重原子核并释放能量的过程,其核心原理与太阳内部的核聚变反应类似,因此也被称为“人造太阳”。

跟我们熟悉的原子弹或者传统核电站那种核裂变不同,核聚变主要是通过轻核(氘、氚)聚变释放能量,而传统的核反应是通过重核(铀、钚)裂变释放能量。像核聚变的氘可从海水中提取,储量可供人类使用数百亿年,不像核裂变的原料那么稀奇。

且从安全程度上来说,可控核聚变的产物为无放射性的氦,仅少量短寿命低放射性废物;传统核裂变会产生长寿命高放射性核废料(如钚-239半衰期2.4万年)。一旦发生意外失控的话,核聚变反应也会自动终止,因为其高度依赖环境,传统的核裂变影响就不用我说啦。

能量效率上,单位可控核聚变释放的能量可以达到目前我们化石燃料的千万倍,是核裂变的4倍。举个例子,一吨氘实现聚变释放的能量相当于700万吨原油燃烧释放的能量,足够全南京市的私家车开2年,还不释放温室气体。

所以,其一直被誉为人类能源的终极目标。

可控核聚变的研究始于20世纪50年代。

1951年,苏联科学家提出“托卡马克”概念,它是一种环形装置,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,从而实现人类对聚变反应的控制。到1960年代,苏联建成首个托卡马克装置T-3,验证了磁约束的可行性。

除了磁约束,我国科学家王淦昌还在1964年提出了用激光打靶实现核聚变的惯性约束设想,即利用粒子的惯性作用来约束粒子本身,从而实现核聚变反应的一种方法,也被称为激光约束。

1970年代,美国、欧洲、日本相继加入研究,技术路线也主要集中在磁约束和惯性约束两大方向。

1985年,国际热核聚变实验堆(ITER)计划启动,目标是验证核聚变发电的可行性,至此,核聚变也开始从军用研究转向民用研究,我国在2006年正式加入该计划。

1993年,我国建成首座超导托卡马克装置HT-7,成为全球第四个掌握超导技术的国家。

2006年,我国自主研制的全超导托卡马克装置EAST(东方超环)建成,首次实现所有磁体使用超导材料。

2012年,美国国家点火装置(简称NIF,也是世界上最大的激光约束聚变装置)首次实现能量增益,但仅能维持极短时间。

2023年,NIF实现输入2.05兆焦耳激光,输出3.15兆焦耳聚变能,即Q=1.5的能量增益。

2025年1月,我国的EAST装置实现1亿摄氏度等离子体运行1066秒,创造世界纪录,新一代“中国环流三号”装置突破高约束模式运行。

2025年3月,中国合肥紧凑型聚变实验装置园区(BEST)项目启动,计划2027年建成全球首个紧凑型聚变发电演示装置。

截至目前,可控核聚变在技术上还存在诸多难点。

比如,条件约束上,需要将等离子体加热至1亿摄氏度以上(远高于太阳的核心温度)并维持足够密度和能量约束时间;磁约束需要超导线圈在-269℃以下运行以维持强磁场,惯性约束需多束激光精确同步和靶丸均匀压缩。

再比如,材料耐受性上,第一壁材料需承受高能中子辐照和高温粒子轰击,超导材料需在极端低温下保持稳定,就是上面我们说的-269℃以下。

还有原料提取以及能量转化问题,所以短时间内,不太可能商业化。

但各国的布局速度明显加快了。

中国在“十四五”阶段,就把可控核聚变纳入能源规划,目标2035年建成示范电站,2050年实现商业化发电,且在2023年由中核集团牵头,联合33家央企和科研单位成立可控核聚变创新联合体。

美国2023年通过了《聚变能源法案》,简化商业核聚变监管流程,计划2028年由Helion Energy实现50MW发电。

欧洲的ITER国际热核聚变实验堆目前已经扩张至35国,计划2035年完成全氘氚聚变试验;日本2024年发布《实现聚变能的安全保障基本方针》,推动私营企业参与等等。

尽管困难重重,但各国政策与资本共振,正推动人类迈向无限清洁能源这一终极目标快速发展。

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