新重大突破让人类离无限、清洁的核聚变能源梦想又近了一步

2022年06月30日 13:57 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

一个老生常谈的笑话是--核聚变总是要等到30年后发生,然而,丰富的清洁能源的梦想并不是一件可笑的事情。我们的太阳通过核聚变创造光和热为地球上的生命提供了数十亿年的燃料。

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鉴于这种令人难以置信的力量和寿命,似乎没有比利用包括我们自己的太阳在内的恒星中发生的相同核过程更好的方式来产生能量了。

核聚变反应堆的目的是通过融合氢原子来创造氦进而以热的形式释放能量,以此来重现这一过程。大规模地维持这一过程有可能产生安全、清洁、几乎取之不尽的电力供应。

这一探索在几十年前就开始了,但一个长期以来的笑话即核聚变总是在30年后才开始会不会很快就显得过时了?

一些人希望如此,因为在2021年底的一次核聚变实验中取得了重大突破。这是在位于英国牛津郡的欧联核磁聚变设备(JET)研究设施中进行的,该设施是一个巨大的圆环形机器--托卡马克。

里面产生了被称为等离子体的过热气体--核聚变反应就在其中进行--并包含被强大磁场固定住的带电粒子。这种等离子体的温度可以达到1.5亿摄氏度,这是太阳核心温度的10倍。

在持续5秒钟的爆发中,EUROfusion联盟的研究人员释放了破纪录的59兆焦耳(MJ)的聚变能量。这几乎是1997年在同一设施创造的21.7MJ纪录的三倍,其结果被誉为25年以来最清晰地展示了聚变能源提供安全和可持续低碳能源的潜力。

这些结果为核聚变下一阶段的发展提供了重大推动力。一个更大和更先进的JET版本被称为ITER(在拉丁语中意为“道路”),其正在法国南部Saint-Paul-lès-Durance一个180公顷的场地上建设。

ITER是由包括欧盟国家在内的35个国家合作建造的,其目的是进一步巩固核聚变的概念。作为有史以来最复杂的机器之一,它计划在2025年开始产生第一个等离子体,然后在2035年左右进入高功率运行--尽管该项目的研究人员预计会因为大流行病而出现一些延迟。

主要里程碑

JET的成果代表了一个重要的里程碑,EUROfusion项目的项目经理Tony Donné教授称,该项目是一个由全欧洲4800名专家、学生和设施组成的大型联合体。他说道:“这是一个巨大的里程碑--很长一段时间以来最大的里程碑。它证实了所有的建模,所以它确实增加了人们的信心,即ITER将工作并做它所要做的。虽然在JET产生的能量只持续了几秒钟,但目标是将其提升到产生能量的持续反应。”

Donné教授指出,自1997年以来的关键发展之一是改变JET容器的内壁。

以前内壁是由碳制成,但事实证明,这跟氘和氚的燃料混合物反应性太强。据悉,这是在聚变反应中使用的两种较重的氢的同位素--或变种。这导致了碳氢化合物的形成,并将氚燃料锁在了墙内。

为了减少氚的滞留,在涉及16000个部件和4000吨金属的重建工作中,碳被替换为铍和钨。最终,该团队得以将被困燃料的数量减少一大倍,从而为最近的聚变拍摄的成功做出了贡献。

DEMO运行

在为核聚变史诗般的旅程的下一阶段做准备时,对JET的升级确保了其配置跟ITER的计划相一致。在未来,超越ITER的下一步将是一个被称为DEMO的示范电厂,其目的是向电网输送电力,进而使得核聚变电厂成为商业和工业现实。

Donné教授说道:“ITER是一个能创造出比用于加热等离子体的能量多10倍的聚变能量的装置。但由于它是一个实验性设施,它不会向电网输送电力。为此,我们需要另一个设备,我们称之为DEMO。这将真正把我们带到第一代核聚变电站的基础上。”

Donné教授继续补充道:”JET现在已经表明,核聚变是可信的。ITER必须证明它是进一步可行的,而DEMO将需要证明它确实有效。”

Donné教授认为DEMO在2050年左右投入运行是现实的。它将为电网提供高达500兆瓦(MW)的电力。

然而在让核聚变启动和运行的道路上还有其他关键挑战需要克服。最重要的是,虽然氘在海水中很丰富,但氚却极其稀缺且很难生产。

因此,研究人员计划开发一种在托卡马克内生成氚的方法,他们将使用含有锂的“孕育毯”。据了解,这个想法是,来自聚变反应的高能中子将跟锂相互作用以产生氚。

重要的能源

Donné教授表示,核聚变可能被证明是未来的一种关键的绿色和可持续能源。他说道:“我想说这是必不可少的。我不相信到2050年我们可以只用可再生能源来实现二氧化碳的过渡,我们还需要其他东西。”

尽管目前通过裂变创造核能的方法正变得越来越安全,但核聚变有它关键的优势。ITER的支持者谈到了诸如没有熔毁风险的好处,并补充称核聚变不会产生长期的放射性废物,而且反应堆材料可以在100到300年内被回收或再利用。“这肯定要安全得多,”Donné教授说道。

在提到被称为“托卡马克之父”的Lev Artsimovich时,Donné教授说道:“Artsimovich总是说,当社会真正需要它时核聚变就会出现。如果我们让核聚变运行起来,那么真的我们有一个非常安全和清洁的能源,它可以为我们提供数千年的能源。”

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