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密度不够 温度来凑 托卡马克装置内部为何热过太阳

资讯 来源:中国科技网 2021年03月25日 1201次浏览 扫描二维码

在地球上开展的一些可控核聚变研究的等离子体密度只有太阳芯部密度的约千亿分之一,因此必须将等离子体加热到上亿摄氏度高温,才能使聚变反应的发生几率获得较大提升,以便利用少量的聚变燃料就能产生足够多的聚变能量。

3月15日,ITER(国际热核聚变实验堆)中国氦冷固态实验包层系统首个项目在中核集团核工业西南物理研究院启动,标志着我国在ITER上开展产氚技术测试进入具体实施阶段。在之前不久,由江西省科研人员自主设计、制造及运行的“人造太阳”实验研究装置——我国首个可实现压缩融合启动等离子体电流的球形托卡马克装置(NCST)正式投入运行并实现首次成功放电。

江西省聚变能与信息控制重点实验室博士钱玉忠介绍,球形托卡马克装置内部安装有两个上下对称的极向场线圈,是我国首个可利用压缩融合方式启动等离子体电流的球形托卡马克装置。江西省将围绕球形托卡马克装置模拟太空辐照环境的特性,积极开展交叉应用研究。

托卡马克是什么原理,为什么能够释放巨大能量?随着托卡马克核聚变装置研究频频传来喜讯,我们距离彻底掌握可控核聚变的奥秘还有多远?

实现可控核聚变克服库仑排斥力是关键

正如我们已经了解的,核能的释放通常依托核聚变和核裂变两种方式进行。

核裂变是将较重的原子核分裂为较轻的原子核并释放能量。二十世纪五十年代初,苏联建成了世界上首座核电站,成功实现了基于核裂变的核能和平利用。

核聚变是将较轻的原子核聚合反应而生成较重的原子核。这个过程伴随着质量损失,根据爱因斯坦质能方程E=mc2,损失的这部分质量会转换成巨大的能量。以目前地球上最容易实现的氘氚聚变反应为例,每公升海水可提取的氘(约0.03克)通过聚变反应可释放出相当于燃烧300公升汽油产生的能量。

然而,由于原子核间均带有正电荷,其相互间受库仑排斥力作用,原子核间距离越近,这种排斥力就越强。只有当相向运动的两个较轻原子核具有足够高的能量时,才能克服库仑排斥力,使得彼此靠得足够近,以便让短程核间吸引力发挥主要作用,最终聚合为一个较重的原子核,并释放出高能量的中子。

相较于核裂变,在地球上要实现核聚变反应,条件非常苛刻。首先要达到上亿摄氏度高温;还要让燃料维持足够高的密度,以提高原子核之间碰撞并发生核聚变反应的几率;此外,高温高密度条件必须维持足够长的时间,才能让核聚变反应得以持续进行。

通过磁约束核聚变释放巨大能量

作为地球生命赖以生存的能量来源,太阳内部随时在进行核聚变。在这一反应过程中,其中心温度只有1500万摄氏度左右。然而在实验室实现可控核聚变,温度却需要达到1亿摄氏度以上。二者为何会有这么大的差异?

中核集团核工业西南物理研究院院长段旭如解释说,太阳的巨大质量(约为地球的33万倍)导致其具有强大的引力,太阳正是靠这种强大引力约束高温的燃料离子,来实现核聚变反应。

此外,虽然太阳芯部的温度只有1500万摄氏度左右,离子通过碰撞发生聚变反应的几率比1亿摄氏度条件下聚变反应的几率要低得多,理论上在太阳内部单位质量的燃料发生聚变的反应率极低,平均1吨太阳物质只能产生瓦量级的功率。但因为太阳质量非常大,即便发生聚变反应是小概率事件,总体上太阳内部产生的核聚变反应及能量仍非常可观。

目前,在地球上开展的一些可控核聚变研究的等离子体密度只有太阳芯部密度的约千亿分之一,因此必须将等离子体加热到上亿摄氏度高温,才能使聚变反应的发生几率获得较大提升,以便利用少量的聚变燃料就能产生足够多的聚变能量。

以托卡马克为代表的磁约束核聚变是可控核聚变的一种。段旭如告诉记者,这一装置利用通有大电流的线圈,在环形真空室内产生强磁场。大量温度超过1亿摄氏度、在高温下电离成由电子和离子组成的等离子体的燃料将沿磁力线做回旋圆周运动,磁场越强回旋圆周运动的半径越小。例如,在2万高斯的强磁场条件下,1亿摄氏度高温的等离子体中离子的回旋半径只有几毫米,而目前大型的托卡马克装置真空室内等离子体半径为米量级。通过这种方式可将高温等离子体长时间地约束在具有强磁场的环形真空容器内,并且不跟真空室器壁直接接触。在这种极端条件下,燃料离子将发生聚变反应并释放巨大能量。

磁约束核聚变产生的能量主要通过高能量的α粒子(氦原子核)和高能量的中子释放出来。其中,高能量α粒子所携带的能量主要用于加热聚变燃料(等离子体),以维持聚变反应所需的上亿度的高温,而高能量的中子则在环绕真空容器内的包层部件中被慢化,其能量沉积在包层内,并通过热交换的方式由介质将能量导出,把热能输送到装置外部,最后通过汽轮机将热能转化为电能,输送到外电网中以提供能源。

为ITER实验运行积累经验

随着目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一——ITER计划的启动,磁约束聚变研究已经从原理探索、大规模实验逐步迈入到反应堆工程物理实验阶段,预计本世纪中叶将实现聚变能源的应用。

ITER是国际上首个反应堆规模的核聚变实验研究设施,也是各国聚变能发展路线图中的关键设施。目前国际上正集中力量完成ITER采购包等任务,并保障资源,确保ITER的成功建设与运行。

段旭如告诉记者,现阶段,国际上一方面利用现有的磁约束聚变研究装置,开展聚变等离子体物理、运行及相关技术研究,尤其是与ITER相关的一些先行物理实验及有关技术研究;另一方面正在积极谋划并开展未来聚变堆关键技术的研发。

我国现有的主要磁约束聚变研究装置包括已运行多年的中国环流器二号A装置(HL-2A)与EAST两大托卡马克装置,以及华中科技大学的J-TEXT、清华大学的SUNIST、中科大的KTX等实验研究装置。它们均为我国参加ITER建设及为聚变研究领域培养人才作出了贡献。

2020年我国建成的规模大、参数高的先进托卡马克装置中国环流器二号M装置(HL-2M),采用了更先进的结构与控制方式,可实现高密度、高比压、高自举电流运行,特别是具备在兆安级等离子体电流条件下实现多种先进偏滤器位型的独特能力。

“我国将充分利用这些装置,为ITER实验运行积累经验,掌握相关技术,锻炼和培养人才队伍,为我国深度参与ITER计划及未来自主设计建造聚变堆提供重要的技术支撑。”段旭如说。


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