找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

开发聚变能,迎接新挑战(1) : “人造太阳”的孵化

0
回复
307
查看
[复制链接]

8

主题

8

帖子

439

积分

中级会员

Rank: 3Rank: 3

积分
439
来源: 2018-11-1 17:40:11 显示全部楼层 |阅读模式
阿里云双11新人礼包
[size=1em]关注高电压技术,关注学科发展
174015p5my8scjy85djyb5.jpg

为了解决全球变暖的问题,科学家们一直在寻找更高效的能源以替代目前的化石燃料。核能是一种通过核反应从原子核释放的能量,不会排放巨量的污染物质到大气中,不会产生二氧化碳,并且发电成本较不易受到国际经济情势影响,较其他发电方法较为稳定,是科学家们一直在探索研发的能源类型之一。本文部分内容整理自万元熙院士在南京“全国高电压与放电等离子体学术会议”上所做报告——开发聚变能,迎接新挑战(ITER和中国CFETR)

1
两种核能
一般获取核能的方法有两种:


  • 核裂变,较重的原子核分裂释放结合能;
  • 核聚变,较轻的原子核聚合在一起释放结合能。
两种核能释放能量的原理都符合爱因斯坦的质能方程E = mc2,但反应的条件却有大大的不同:核裂变在常温常压下即可发生,而核聚变需要在上亿度的超高温下才会发生。并且,核聚变释放的能量要远远大于核裂变。
174015aj086gjfae5yco8e.jpg


非常典型的核裂变和核聚变释放巨大核能的例子就是原子弹和氢弹,原子弹依靠核裂变的方式通过链式反应放出的大量能量爆炸,而氢弹则是通过核聚变制造一颗短时的、不可控的太阳,当量远远大于原子弹。
174016c5h4tb51khzrttbb.jpg


原子弹爆炸的“蘑菇云”(概念图)

174016m5utt6utdd56a57i.jpg


氢弹爆炸图片(概念图)

早在十九世纪六十年代,核裂变已经实现了大规模商业化的发电。但是,核裂变的原材料铀和钚较难提炼核废料又有上千万年的半衰期,需要深埋处理以避免核辐射污染,但日本福岛的地震表明这也不是一种保险的方式。综上,人们把解决未来能源问题的希望寄托于核聚变
174016o9jejj13ocnve9y5.jpg




2
聚焦核聚变能
相对于化石能源和裂变核能,聚变核能是人类未来更理想的新能源,原因有三:

  • 资源“无限” (主要原料来自于海水中的氘和氚)
  • 无二氧化碳排放  
  • 完全无放射性无长寿命放射性废物排放
但是核聚变能发电的技术水平远远没有达到大规模商业化地步,这是为什么呢?

174016cm0oiz0gbjzcskmj.jpg


实现可控核聚变的条件是十分苛刻的:必须将一定密度的聚变燃料加热至极高温度并予以有效约束。三个方面,缺一不可。
174016keo25179570lg5dx.jpg


氢弹的爆炸,实际上是实现了前两个条件,保证了聚变燃料的密度和温度,但像氢弹那样在短时间释放巨大能量的方式,是不可能用于生产和生活的。我们希望实现可控的核聚变能量释放,这就需要强有力的约束来控制聚变能的释放,即实现可控核聚变


3
磁约束核聚变
我们在燃烧煤,石油,天然气的时候会有个容器来保温,让燃料在一定的温度下反应释放出能量。但几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质要装在什么容器里呢?
174016z6h2vov2lvfmmiki.jpg


托卡马克磁约束(概念图)

世纪五十年代初期,前苏联科学家提出托卡马克的概念。托卡马克(TOKAMAK)在俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词组合而成,这是一种形如面包圈的环流器,依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器里,以此来实现聚变反应。
174016efbrtk2lsb83oo38.jpg


1954年,第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种磁约束的概念后,磁约束核聚变研究在一些方面的进展顺利,氢弹又迅速试验成功,这曾使不少国家的核科学家一度受控核聚变抱有过分乐观的态度。但人们很快发现,约束等离子体的磁场,虽然不怕高温,却很不稳定。另外,等离子体在加热过程中能量也不断损失
大家终于意识到,实现受控核聚变是个难度与规模前所未有的工程,需要广泛的国际合作和巨额的资金投入


4
ITER项目问世
1987年春,IAEA总干事邀请欧共体、日本、美国和加拿大、前苏联的代表在维也纳开会,讨论加强核聚变研究的国际合作问题,并达成了协议,四方合作设计建造国际热核实验堆。
174016xph30ddzt8tcmqfq.jpg


国际原子能机构

与此同时,中国也不甘落后,开展了自己的核聚变热核实验堆计划。2006年,中国新一代“人造太阳”实验装置(EAST)实现了第一次“点火”——激发等离子态与核聚变。很快,它就实现了最高连续1000秒的运行,这在当时是前所未有的成就,受到了国际社会的莫大的肯定和赞赏,中国凭借过硬的技术积累拿到了进入ITER计划的“门票”
174017j9qj1holz38kb5hs.jpg


中国的EAST核聚变装置

ITERInternational Thermonuclear Experimental Reactor的简写,全称国际热核聚变实验反应堆,也被人们形象地称为人造太阳,地点设在法国的南部小城卡达拉舍。
174017nm3a93mi0s7s3jat.jpg


ITER 选址—法国卡达拉舍

2006年,在法国爱丽舍宫,欧盟、美国、中国、日本、韩国、印度和俄罗斯七方正式签署了《联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织协定》以及其他相关文件,宣告七方共建“人造太阳”计划的成立。

174017i0lwzl08yr8b0ny0.jpg


七方决定共建ITER

至此,规模宏大、意义深远的ITER项目正式问世。

174018mggdzigkfbz4bb14.jpg


ITER 装置图

在本系列的下一期文章中,小编将详细为大家介绍ITER项目进展、现状和运行计划,请大家继续关注关注。


本文部分内容整理自万元熙院士在南京“全国高电压与放电等离子体学术会议”上所做报告——开发聚变能,迎接新挑战(ITER和中国CFETR)。征得院士同意,小编将在下一期《开发聚变能》系列微文中分享该报告的PPT全文,敬请期待!




  - 【 END 】 -

编辑:严文豆

传播知识 · 分享成果 · 交流经验

高电压技术
微信ID:gdyjs1975
电话:027-59835528

邮箱:hve@epri.sgcc.com.cn

网址:hve.epri.sgcc.com.cn

微文投稿、企业宣传 ↓↓↓

电话:027-59258041

邮箱:qintian@hve.ac.cn

174018dfqlhdh4gspqqh4l.jpg


长按二维码关注






               
来源:http://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1541065211&ver=1218&signature=YaD7BEd8ffRRpup7kApCDDioQiJTsMB0rpaEb51Sxx1PD-xBGXkHW5Fw9iQ81ILOHGYxhGOG5V5kbjiDrEYHT26KCd3ERW4gxpeLwCN6o7bvsUeVfG7kmskOjlC5m6Ez&new=1
免责声明:如果侵犯了您的权益,请联系站长,我们会及时删除侵权内容,谢谢合作!
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册