核聚变发生的能量才是终极能源?核聚变为何难以掌控和应用

本文摘要:核聚变提供能量被广泛认为是能源领域的重大工程挑战。世界各地的许多研究人员和工程师正致力于通过在地球上重现恒星中自然存在的密度和温度等条件来发生这种能量的方法。 与原子破裂发生能量的核裂变差别,在核聚变中,较轻的核联合在一起形成较重的核,从而释放能量。这就是恒星如何将微小的质量转化为牢固的能量。如果没有为太阳提供能量的核聚变反映,地球上的生命是不行能存在的。

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核聚变提供能量被广泛认为是能源领域的重大工程挑战。世界各地的许多研究人员和工程师正致力于通过在地球上重现恒星中自然存在的密度和温度等条件来发生这种能量的方法。

与原子破裂发生能量的核裂变差别,在核聚变中,较轻的核联合在一起形成较重的核,从而释放能量。这就是恒星如何将微小的质量转化为牢固的能量。如果没有为太阳提供能量的核聚变反映,地球上的生命是不行能存在的。只管聚变发生的能量对社会有着预期的利益,例如燃料的富厚性和可获得性、无碳足迹和高放射性废物的缺乏,但将聚变付诸实践仍然是当今实验物理和工程中最具挑战性的领域之一;将聚变反映控制在1亿摄氏度以上是一项庞大而具有挑战性的任务。

一旦这一挑战获得克服,聚变能源实际上可以成为取之不尽、用之不竭、宁静、环保和普遍可用的能源,能够满足全球能源需求。熔合是如何事情的?在恒星的焦点,氢原子之间的熔合反映发生在浓密的等离子体中,温度凌驾一千万摄氏度。等离子体是物质的第四种状态,具有奇特的性质,差别于固体、液体和气体。

它由自由移动的带电粒子组成,当电子从中性原子中移除时在高温下形成。正如我们现在所相识的,宇宙中99%以上是以等离子体的形式存在的,包罗星际物质和恒星,好比我们的太阳。在受控核聚变电厂中,必须满足三个条件:超高温(凌驾1亿摄氏度)引起高能粒子碰撞;等离子体中发生反映的粒子密度足以增加这些碰撞的可能性足够的限制以保持等离子体并使聚变反映连续举行。

到现在为止,效果最好的约束观点是托卡马克,一种在20世纪50年月首次发现的环形结构,它使用强大的磁铁来容纳等离子体。托卡马克装置已经可以为聚变提供须要的条件,在等离子体密度和所需的温度方面,聚变反映因此可以发生。确保净功率发生所缺少的是更好、更长的限制,这是权衡磁场在维持等离子体能量时间方面有多好的指标。由35个国家互助的国际聚变能源组织(ITER)将是地球上最大的聚变实验。

它正在法国圣保罗-莱兹-杜兰斯制作,计划于2025年底投入使用。ITER的设计是为了证明比现在举行的其他聚变实验在聚变功率方面有更高的增益。在注入50兆瓦的加热功率后,它的目的是发生500兆瓦的热功率,连续400至600秒的长脉冲。只管ITER不会将其发生的能量作为电能来获取,但它将为一台能够获取电能的机械铺平门路。

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在ITER之后的下一个阶段,把热量转换成电能,将由一个名为demo的示范核聚变电厂来解决。预计演示将探索和演示一连或近一连运行、燃料自给和大规模生产能源,包罗将其转换为电能,并可能在2050年左右毗连到电网。聚变发生放射性废物的方式是否与核裂变相同?最容易实现的聚变历程涉及氢的两种同位素:氘和氚。

氚具有放射性,但它的半衰期很短(12.32年)。它只在相对较低的剂量下使用,所以不像长寿命的放射性核,它不会造成任何严重的危险。氘氚反映发生一个氦原子(惰性气体)和一其中子,它们的能量可以划分为反映堆提供动力和发电。

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因此,聚变反映不会发生长寿命的放射性废物。然而,聚变将导致在等离子体周围发生中子活化质料。换言之,当中子(作为聚变反映的效果)与反映堆壁碰撞时,其结构和组成部门就具有放射性。因此,在建设未来的核聚变电站时,一个重要的挑战是优化修建设计,以只管淘汰中子引起的放射性和由此发生的放射性废物量。

国际原子能机构在聚变等离子体和聚变技术中的作用是什么?自1957年建立以来,国际原子能机构一直支持核聚变研究。原子能机构在国际聚变研究理事会的指导下开展了许多核聚变运动,该理事会是原子能机构的一个咨询机构,成员来自世界各地。

国际原子能机构通过让核物理学家、质料科学家、核数据专家、工程师和等离子体专家等到场,协调国际上在核聚变研究和技术开发方面的努力。它还组织了聚变能源集会——世界上最大的核聚变领域的国际运动。


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