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人造太阳何时能点亮你家的灯

实验室资讯网时间:2017-12-24 点击: 百度搜索

【导读】太阳,普照大地,孕育万物,是地球赖以生存的光热能量之源。随着能源短缺问题的凸显,获得像太阳能一样取之不尽、用之不竭的可持续清洁能源,一直是人类的梦想。 日前,ITER十年回顾与......
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  太阳,普照大地,孕育万物,是地球赖以生存的光热能量之源。随着能源短缺问题的凸显,获得像太阳能一样取之不尽、用之不竭的可持续清洁能源,一直是人类的梦想。

  日前,“ITER十年——回顾与展望”会议在北京召开。一个集结了包括中国在内的30多个国家的顶尖科学家,规模仅次于国际空间站的国际大科学工程——国际热核聚变实验堆(ITER)计划,正在有条不紊地进行着。由于项目模拟自太阳内部的核聚变原理,这个工程还有一个更加形象的名字:“人造太阳”。

  “人造太阳”将如何解决人类能源的终极问题?从梦想到现实还有多远?

  驾驭核聚变:理想恒久的清洁能源

  万物生长靠太阳,而太阳的能量来自于它自身内部一刻不停的聚变反应。根据爱因斯坦的质能关系理论,质量亏损可转化成能量。聚变反应就是两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核时,质量亏损,从而释放出能量的过程。

  50多年前,人类已经在地球上实现了发生在太阳内部的氘氚聚变过程,这就是氢弹爆炸。氢弹的成功引爆,让人类真正体会到了两个质量最轻的原子核聚合瞬间释放出的巨大能量。

  如果能够按照需要有效地控制这个反应过程,让能量长期地、持续地释放,就好比创造出了一个“人造太阳”,不但产生的能量巨大,还可以为人类带来理想而恒久的清洁能源。

  首先,核聚变所消耗的“燃料”(氘和氚)来自世界上普遍存在的海水,燃料资源极为丰富。一个水分子有两个氢原子,它的同位素氘(亦称“重氢”)与氧原子结合所生成的水就是“重水”。重水在海水中所占比例虽然小,但是人们只需用蒸馏法就可从海水中取得重水,然后再电解重水就可获得氘。而氚也可以从海水中含量丰富的锂元素中制造出来。

  尤其重要的是,这个核聚变反应生成的废物是氦,不会给环境带来污染。这就意味着,这种核聚变的过程一旦被驾驭,人类将获得一个理想的清洁能源。

  从核物理理论和爱因斯坦质能转换公式可知,聚变能比裂变能还要大数倍。经测算,l 升海水所含的氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量,1公斤氘全部聚变释放的能量大致相当于11000吨煤炭所释放的能量,而海水中氘的储量足够人类使用几十亿年。

  到目前为止,没有任何新能源能够与之比拟。难怪,人们把这种受控核聚变形象地称为“人造太阳”。

  巨型“磁笼”:重量相当于18架波音747

  怎样才能造出“人造太阳”?首先需要将重氢加热到上亿摄氏度的高温,并约束在有限的空间里。聚变反应主要靠两种方式来约束:一种是磁约束,利用线圈产生强大的磁场,来约束聚变物质;另一种是惯性约束,利用多束强大的激光束或粒子束,聚焦于一个米粒大小的重氢靶丸上,瞬间压缩,产生高温高压。由于后者的效率较低,聚变产出的能量不能弥补激光器消耗的能量,而磁约束的可行性早在上世纪末就已得到验证,因此磁约束聚变是目前研究的主流。

  下一步目标,是实现点火和自持燃烧,也就是用聚变产生的能量来维持聚变反应。为此,欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同合作,正在法国建造下一代磁约束聚变装置——国际热核聚变实验堆(ITER),即所谓的“人造太阳”计划。

  计划中的国际热核聚变实验堆是一个全超导托卡马克装置,高24米,直径30米,建成之后总重量将达23000吨,比三座埃菲尔铁塔(7300吨)还要重。

  科学家们首先要把燃料(氘和氚的混合物)变成离子状态(这是物质除了固态、液态和气态之外的第四种存在形式),才能用电磁的方法束缚并控制它们。ITER计划中设计的“磁笼”,由18节巨型的D型环向磁场线圈所组成,每一节就重达360吨,相当于一架满载的波音747-300客机的总重量。当强大的电流通过这些大线圈时,环形线圈内就产生强大的环形磁场,磁场内等离子体的带电粒子就被它的磁力线约束住了。可以想象,高达1.5亿摄氏度(相当于太阳内核温度的10倍)的极高温等离子体内,粒子运动非常激烈,所以必须形成足够强大的磁场来约束它们,幸而超导技术的突飞猛进帮了大忙。

  产生热核聚变的另一个重要条件就是要制造温度达1.5亿摄氏度的高温等离子区,在这种环境下,带正电的氘核和氚核才能克服静电斥力互相碰撞。ITER使用的产生高温方法很像微波炉对食物加热,科学家正在努力研究使用更高性能的“高功率射频加热装置”来实现它。

  “人造太阳”商用:2050年或可点亮你家灯泡

  ITER计划是一项重大的国际科技合作计划,最初是由美苏两国于1985年提出的,随后日本和欧盟响应参与。后因苏联解体和1999年美国退出,计划的进展受到了不小的影响,但研究工作并没有停止。2003年,美国宣布重返。接着,中国、韩国和印度先后加入,使得ITER计划活力更大,实力更强。

  目前,参与ITER计划的各国都在通过建造反应堆级核聚变装置,把“人造太阳”从梦想变为现实。

  而要构建起“人造太阳”的核心,需要特殊的材料筑起一道“防火墙”,来抵御装置内部上亿摄氏度的高温环境。在整个国际热核聚变实验堆计划中,多个国家都在研制这样的高温核心材料。中国科学家承担研制的部分处于反应堆最核心位置,直接面对高温聚变物质,因而被称为反应堆的“第一壁”。

  寻找“第一壁”的第一关是材料。面对上亿摄氏度的高温炙烤,任何普通材料瞬间就会灰飞烟灭。当时,业内普遍认为一种特殊的金属材料耐热性高,是最佳选择。而美国在这项技术中处于垄断地位,这种高纯度金属材料,每公斤对外销售超上百万元人民币,由于材料稀缺,美国也只是少量出售。

  为此,从2004年到2013年,中国科学家从高纯度金属材料提取开始,进行了长达十年的特殊材料研制工作,终于研制出了拥有自主知识产权的“第一壁”材料。这种材料问世后,将美国垄断价格降低了90%。

  “包括中国、欧盟、俄罗斯、美国、日本、韩国和印度七方在内的30多个国家参加了ITER计划。不过‘人造太阳’的科研目前仍处于工程建设阶段。”我国核聚变能源计划执行中心总监潘传红介绍,根据ITER计划的部署,2007年至2025年为建造阶段。在此阶段,各国科学家都在建造反应堆级核聚变装置。

  “从2008年至2017年,在中国参与ITER计划的带动下,国家磁约束核聚变能发展研究共部署119个项目,总计安排经费约40亿元。”潘传红说,预计在2050年左右,ITER计划可以实现核聚变能商业应用。也许到那时,“人造太阳”产生的能量就能点亮你家的灯泡。记者 雷册渊 整理 (本文综合自《光明日报》《科技日报》《人民日报》《北京日报》等)

来源:解放日报 (本文来源:解放日报 )

(责任编辑:Labtoday)

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