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人造太阳——关乎人类未来的等离子体
发布时间:2019-07-09
 

自然界储备的化石燃料正日益减少,迫使人们努力的发展可持续利用的能源。等离子体热核聚变过程是一种释放巨大能量的核反应过程,在这个过程中,轻元素之间相互聚合产生新的原子核,同时释放出巨大能量,正如恒星的燃烧就是典型的聚变反应。在五十余年的探索研究后,目前聚变反应堆正处于实现技术突破的前夜。

全球能源危机

英国石油公司每年发布的全球年度能源统计报告,在提供详实数据的同时,也使人们深感忧虑。根据目前的开采速度,已知的石油和天然气储量将在50年间内消耗殆尽。煤炭可以维持200年,常规裂变材料有望维持五十年。如果技术实现成熟,可将非裂变材料转化为裂变材料的快增值反应堆从而大幅度延长上述期限。太阳能、风能、生物质能等非传统替代性能源,既分布分散,又成本高昂。

随着能源储量的耗竭,可以想象,国际间争夺剩余能源控制权的战争此起彼伏。许多人认为,伊拉克战争即是此类冲突的一次预演。大型能源储藏地区成为交战各方争夺的焦点。随着石油和天然气的日渐短缺,其价格将扶摇直上,贫穷国家将无法负担。

可以想象,印度、中国等新兴工业化的大国将对此做出强烈反应。印度目前的年人均用电量为400KW.h。为了将印度的人类发展指数(HDI)提高到富裕水平,年人均用电量就需要曾至4000KW.h,由此需要巨额投资建设热电厂。尽管印度近海地区拥有巨大的天然气水化物储量,但是开采此类矿物的技术尚未成熟。印度必须仍然依赖其煤炭资源为热电厂提供燃料,可以想象,未来二氧化碳排放对环境的破坏将日趋严重。

未来五十年内,全球人口将增至100亿人,与此同时,人均耗电量将提高至2KW。由此可以预计,未来全球能源需求量将高达每年30TW。其他国家也将面临与印度和中国一样的困境。

来自热核聚变的能源

然而,人们有足够乐观的理由相信,上面描述的悲惨情景不会发生。一个世纪以来人们一直孜孜以求的热核聚变发电,可能在2050前就将成为现实。

人造太阳——关乎人类未来的等离子体

中国东方超环

对恒星之火的探求可以追溯到1952年首枚氢弹爆炸时的秘密文件。当时普林斯顿大学里曼教授在听到阿根廷制定了聚变反应堆研发计划用于民用发电的传言后,构思了他称之为“仿星器”的装置。该装置采用扭曲磁力线对等离子体形成约束。仿星器中的等离子体穿过磁力线,并在约束壁上消散其内热。当时等离子体的温度仅为数百万度,远低于聚变所需温度。

人造太阳——关乎人类未来的等离子体

热核聚变

前苏联科学家伊戈尔塔姆和安德烈萨哈罗夫发明了托卡马克聚变装置之后,前苏联就一直对其进行研究。托卡马克装置为一个轮胎行真空容器,内部充填低压氘和氚气体混合物。真空容器外绕有电磁线圈,沿短轴形成环形磁场。环形等离子体电流通过欧姆耗散作用加热等离子体,电流同时还产生沿短轴水平方向的极向磁场。围绕短轴有无数圈组合磁力线环绕,从而产生约束磁面,等离子体粒子即被约束附着在磁力线通道上。

人造太阳——关乎人类未来的等离子体

前苏联托卡马克项目主任列夫阿西莫维奇于1968年宣布,托卡马克装置可以在1000万度的温度下生成等离子体,这一成就颇令美国和英国科学家感到懊恼。英国科学家随后到莫斯科拜访并证实,上述工况系采用热电子散射激光技术进行测量。美国“仿星器”聚变装置随后被改造为托卡马克装置,并证实托卡马克装置能够产生类聚变等离子体。

后来爆发的阿拉伯石油禁运给聚变研究注入了一针强心针,各国建设了一系列聚变装置,如美国的托卡马克聚变实验堆和欧洲的欧洲联合环流器。日本也建设了JT-60装置,加入了聚变竞赛。TFTR能够产生10.6MW的聚变功率,JET产生将近16MW的聚变功率。上述成果证明,核聚变科学原理是正确的,同时增强了人们建设更大功率聚变装置以实现更长等离子体燃烧时间的信心。

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