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核聚变新突破!五秒释放69兆焦能量

发布日期:2024/2/19


       太阳连同其他所有恒星都是由一种称为核聚变的反应提供动力。



       如果核聚变能够在地球上复制,那么它可以提供几乎无限的清洁的能源,以满足世界的能源需求。因此,核聚变有望成为人类解决能源问题的终极方案,并被誉为清洁能源的“圣杯”。



       但核聚变发生的条件十分苛刻,要使之可用且可控,人类已为之奋斗了半个多世纪。



       直到2022年12月,美国科学家才通过惯性约束核聚变反应实现了“净能量增益”的里程碑式壮举。随后的一年中,美国能源部下属的国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)不断优化,又成功实现三次点火,一年内四次实现净能量增益。



       在惯性约束核聚变领域不断取得重要进展的同时,核聚变的另一个主流技术路线磁约束聚变,近日也迎来了新的突破。



       当地时间2月8日,英国原子能管理局 (UKAEA) 宣布,科研人员在牛津郡附近的欧洲联合环状反应堆(Joint European Torus,JET)设施中使用 0.2 毫克燃料在 5 秒内产生了 69 兆焦耳的热量,将2021年59兆焦耳的记录提升了10兆焦耳,创造了聚变能量输出的新世界纪录。



       此次核聚变实验产生的能量大约是 2023 年 10 月美国国家点火装置 (NIF) 最近一次点火所释放能量的20倍,相当于燃烧2公斤煤炭所释放的能量,足以为大约 41,000 个家庭供电五秒钟。尽管与其他能源相比,这种能量输出可能看起来并不多,但它是实现核聚变巨大潜力的重要一步,并将对其他全球聚变项目产生重要意义。



       EUROfusion 项目经理(首席执行官)Ambrogio Fasoli 教授表示:“我们成功演示了 ITER 和 DEMO 等未来聚变设施的运行场景,为聚变能源的发展注入了更大的信心。除了创造新纪录之外,我们还实现了以前从未做过的事情,并加深了我们对聚变物理的理解。”




图说:欧洲联合环面(JET)最后一次氚实验创下新的能量输出记录

来源:UKAEA




01    什么是磁约束核聚变?



       磁约束核聚变,也称为“托卡马克核聚变”,就是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内,使它受控制地发生大量的原子核聚变反应,释放出能量。




图说:磁约束聚变的工作原理

来源:FT



       该路线的主攻方向之一是采用是托卡马克(Tokamak)装置。这是一种环形容器,用磁场形成一个“磁笼”将等离子体束缚住,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,实现受控核聚变。



       在一个巨大的甜甜圈形反应堆中,轻氢同位素(氘和氚)被加热,直到它们达到等离子体的状态,这是一种非常低密度的气体。与此同时,磁铁限制旋转的等离子体气体,防止其与腔室壁接触,而原子碰撞并开始融合。



       英国的欧洲联合环面(JET)、目前正在法国建设的大型国际项目ITER、由日本和欧盟共同合作建造运行的JT-60SA以及我国的环流三号、东方超环(EAST)等均使用该反应堆类型。




02    JET助力核聚变研究40年



       欧洲联合环面 (JET) 设施于 20 世纪 70 年代末在牛津的卡勒姆建成,曾长期保持着全球最大托卡马克研究装置的头衔,实现了世界上首次可控释放聚变能量,其产生的温度可以达到太阳中心温度的10倍。



       JET于1984年由英国女王伊丽莎白二世(Queen Elizabeth II)揭幕,1991年制造出第一个氘氚等离子体,并于1997年创下22.7 兆焦耳的能量输出世界纪录。




图说:欧洲联合环面(JET)装置

来源:UKAEA



       2021年,JET创造了另一个里程碑,在一个5秒的反应中所产生了59兆焦耳的能量,这些能量足以烧开约60个水壶,尽管这仍然远远低于实验所消耗的能量。



       此次刷新输出能量记录的实验是 JET 第三次也是最后一次氘氚实验的后期补充,在此次试验完成最后一次脉冲后,JET于2023年12月正式结束了其科学运营。现在JET将进入其生命周期的下一阶段,进行重新利用和退役,并继续为人类提供帮助,这一阶段预计将持续到2040年左右。



       英国核与网络大臣安德鲁·鲍伊 (Andrew Bowie) 表示:“自 1983 年以来,JET 项目进行了所有开创性工作,最终的聚变实验是一个恰当的绝唱。感谢牛津郡的国际科学家和工程师团队,我们比以往任何时候都更接近聚变能源。”



       UKAEA 首席执行官伊恩·查普曼 (Ian Chapman) 表示:“JET 的运行已尽可能接近当今设施的发电厂条件,其遗产将普遍存在于所有未来的发电厂中。它在让我们更接近安全和可持续的未来方面发挥着关键作用。”



       他补充说道,JET 的研究成果不仅对正在法国南部建造的大型核聚变研究项目--ITER(国际热核聚变实验堆)具有重要意义,而且对英国的 STEP原型动力装置、欧洲的示范动力装置DEMO 以及其他全球核聚变项目也有重要影响。




03探索仍在继续



       JET在加速聚变能源的发展方面发挥了至关重要的作用,如果下一代实验聚变设施(例如ITER)证明该技术在规模上是可行的,研究人员计划建造一座欧洲示范工厂,其发电量超过其使用量。




图说:建设中的ITER反应堆

来源:ITER



       曼彻斯特大学核聚变研究员 Aneeqa Khan 博士表示:“这些结果对于聚变界来说确实令人兴奋,也是 JET 运行的一个伟大结束,JET 在其整个生命周期中为科学界提供了真正有价值的数据,纳入新项目的设计。然而,将其放在商业核聚变的背景下,仍然没有产生净能源。”



       她补充道:“这是一项伟大的科学成果,但我们距离商业融合还有很长的路要走。



       近期,在JET逐渐退出历史舞台之际,英国一项旨在建造世界上第一座核聚变发电厂的计划成为了新的焦点。计划中的球形托卡马克(STEP)项目将建在诺丁汉郡,旨在利用开创性的反应堆技术到 2040 年代提供可靠且可持续的能源,最终证明核聚变作为一种安全且可能取之不尽用之不竭的低碳能源的前景。



       JET是一台实验机器,而STEP的主要目标则是以一种具有商业意义的方式为电网发电。它将建在一个退役的燃煤发电厂的原址上。与圆环状托卡马克JET不同,STEP将采用球形托卡马克。通过使过热等离子体更靠近机器壁,球形托卡马克理论上可以更加紧凑,使用的磁铁也更小、更便宜。这将使它们更容易商业化,尽管它们需要巨大的工程壮举。



       伴随着核聚变领域不断取得的重要突破,聚变能源或许真的不再只是遥远未来的梦想。



来源:环球零碳

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