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太阳的核聚变是怎么回事?20年后我们能用上聚变能吗?

发布日期:2021-05-22 16:36

本文摘要:我以为我们比太阳要智慧。让我们来比力一下。人类已经在科学技术、制作都会、汽车、盘算机和电话方面取得了庞大的进步。 而且我们已经为战争和能源做到了原子的裂变。太阳做了什么?它是一个庞大的等离子体球,主要由氢和氦组成。 它时不时地把氢气喷入一越日冕物质喷射中。然而,太阳已经掌握了一种我们还无法掌握的能量形式:聚变。看到太阳,坐在那里,绝不艰苦地做着我们最优秀的头脑苦苦挣扎了半个世纪的事情,真让人恼火。 为什么我们做不到核聚变?我们另有多久才气在技术上遇上谁人电离气体球?

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我以为我们比太阳要智慧。让我们来比力一下。人类已经在科学技术、制作都会、汽车、盘算机和电话方面取得了庞大的进步。

而且我们已经为战争和能源做到了原子的裂变。太阳做了什么?它是一个庞大的等离子体球,主要由氢和氦组成。

它时不时地把氢气喷入一越日冕物质喷射中。然而,太阳已经掌握了一种我们还无法掌握的能量形式:聚变。看到太阳,坐在那里,绝不艰苦地做着我们最优秀的头脑苦苦挣扎了半个世纪的事情,真让人恼火。

为什么我们做不到核聚变?我们另有多久才气在技术上遇上谁人电离气体球?图解:充满活力而辉煌光耀的太阳。摄制:NASA/SDO.太阳通过核聚变发生能量的诀窍来自于它庞大的质量。太阳含有1.989 x 10^30千克的氢和氦,它们向内挤压,形成一个温度到达1500万摄氏度的焦点,其密度是水的150倍。太阳在这个焦点中将氢原子融合成氦原子,这个聚变历程是个放热反映,这意味着每形成新的氦原子,都市以伽马辐射的形式释放出光子。

太阳使用这种能量的唯一原因是使用光压来抵消将所有物质向内挤压的重力。光子逐步穿过太阳释放到太空中,太浪费了。我们怎么在地球上复制这个历程?收集太阳在地球上的氢质量是一种选择,但这有些不切实际。

我们把它放在那里呢?更好的方案是使用我们的技术来模拟太阳焦点的条件。如果我们能制造一个温度和压力足以让氢原子融合成氦原子的聚变反映堆,我们就可以使用这些伽马辐射形式的光子了。图解:托卡马克的内部。

摄制:普林斯顿大学等离子体物理实验室为此开发的主要技术称为托卡马克反映堆;这是一个基于俄罗斯的缩写:“带磁线圈的环形腔”,第一个原型是在20世纪60年月建立的。有许多差别的反映堆在开发中,但方法基底细同。

在真空室中充满氢燃料,然后,大量的电通过燃烧室,把氢加热成等离子体状态。也可能使用激光和其他方法使等离子体温度到达1.5到3亿摄氏度(比太阳焦点温度高10到20倍)。超导磁体围绕着聚变室,控制等离子体使其远离室壁,否则会将其熔化。

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一旦温度和压力足够高,氢原子就会像在太阳中一样被压成氦。这会释放光子来加热等离子体,使得反映在没有其他能量输入的情况下得以维持。多余的热量到达燃烧室壁,可以抽出来举行事情。

图解:位于库勒姆聚变能中心(英国)的球形托卡马克。图片:CCFE一直以来我们面临的挑战是,加热燃烧室和限制等离子体所消耗的能量比反映堆发生的能量还要多。我们可以使反映堆事情,可是还不能从中提取多余的能量。

与其他形式的能源生产相比,聚变是清洁和宁静的。燃料泉源是水,副产物是氦气(世界实际上已经开始快要耗尽了)。

如果反映堆有问题,它会冷却,聚变反映会停止。然而,在聚变反映中释放的高能光子将是一个棘手的问题。它们会流进周围的聚变反映堆,使整个反映堆具有放射性。

核聚变室的放射性在50年内将是致命的,但其快速的半衰期将使其在500年后具有和煤灰一样的放射性。图解:普林斯顿托卡马克核聚变试验堆(1982年至1997年运行)的外部视图。摄制:普林斯顿等离子体物理实验室(CC by 3.0)现在你知道什么是核聚变能,它是如何事情的,当前的状态是什么,另有核聚变电站给我们无限的廉价宁静能源还要多久,如果有的话?聚变实验是通过它们发生的能量与你输入它们的能量之比来丈量的。

例如,如果一个核聚变电站需要100兆瓦的电能来发生10兆瓦的输出,那么它的能量比将为0.1。你至少想要1的比率。

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这意味着能量输入即是能量输出,到现在为止,还没有实验到达这个比例。但我们正在靠近。

图解:东方托卡马克反映堆,是合肥物理科学研究所的一部门。摄制:ipp.cas中国制作实验性的先进超导托卡马克,即东方。2016年,工程师们陈诉说,他们已经运行了102秒,温度到达了5000万摄氏度。如果真是这样,这是一个庞大的进步,使中国在缔造稳定核聚变的竞赛中领先。

只管如此,这还没有获得独立的验证,他们只揭晓了一篇关于里程碑的科学论文。图解:卡尔斯鲁厄理工学院的温德尔斯坦7-X(W7X)恒星仪。摄制:Max Planck Institut F_r Plasmaphysik,Tino Schulz(CC by-SA 3.0)德国卡尔斯鲁厄技术研究所(KIT)的研究人员宣布,他们的Wendelstein 7-X(W7X)恒星发生器(我喜欢这个名字)将氢气加热到8000万摄氏度,仅连续了四分之一秒。

温度很高但时间很短。恒星发生器的事情原理差别于托卡马克。它使用扭曲的环和外部磁铁来限制等离子体,知道我们有更多的选择是一件好事现在世界上最大、最精致的聚变实验是在欧洲的法国卡达拉奇研究中心举行的。它被称为ITER,即国际热核实验反映堆,它希望能逾越这个神奇的比率。

图解:ITER托卡马克聚变反映堆。摄制:ITER,Illus。

T.雷耶斯ITER十分庞大,直径30米,高度30米。庞大的聚变室使它能够发生一个自我维持的聚变反映。熔化的氢释放的能量使燃料保持足够的高温以维持反映。

运行含有等离子体的电磁铁仍然需要能量,但不能保持等离子体的高温如果一切顺利,ITER的比率将为10。换句话说,每泵入10兆瓦的能量,它将发生100兆瓦的可用功率。ITER仍在建设中,停止2015年6月,总建设成本已达140亿美元。该设施预计将于2021年完工,第一次核聚变试验将于2025年开始。

所以,如果ITER按计划事情,我们现在离核聚变发生的正能量输出另有8年。固然,ITER将只是一个实验,而不是一个实际的动力装置,所以如果它能事情,一个实际的基于聚变的能源网将。


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