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《科学大众》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

创办于1937年,是我国创刊最早、影响最大的科普刊物之一。现由江苏省科技厅主管、江苏省科协主办。70多年来,杂志秉承“科学大众化、大众科学化”的宗旨,矢志不渝地为提高中华民族特别是青少年科学素质服务,影响了一代又一代中国人,得到了毛泽东、周恩来等党和国家领导人的肯定。

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终极能源“人造太阳”(上)

2009-02-27 21:29:03

  旨在最终解决人类能源问题的宏大计划正在推进,这一计划的正式名称是国际热核聚变实验堆项目,俗称“人造太阳”计划。


研究人员正在检查“人造太阳”的等离子体加热系统

  人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。氢弹爆炸时释放出极大的能量,给人类带来的是灾难。而科学家们却希望发明一种装置,可以有效地控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定地输出。在人类比较了解的核聚变反应中,氢的两种同位素氘和氚的聚变效率最高,氘和氚结合变成氦,同时能释放出巨大的能量。这些能量经转化后,可以成为电能等各种能量,这就是“人造太阳”的原理。


用什么样的容器能把高温下的氘氚气体约束在一起?这样高的温度,任何材料都注定无法承受

  “人造太阳”项目一旦实现,人类将不必再担心能源问题。只要往设备不断输入氘和氚,在里面发生聚变反应,它就能源源不断地释放出能量,而氘、氚可以从海水中提取,廉价而且数量丰富。从1升海水中提取的氘和氚,如果实现完全的聚变反应,释放出的能量相当于燃烧600升汽油所获能量。另外核聚变反应不产生温室气体及核废料,原料几乎取之不尽,几乎不会危害环境。因此,设备也就永远转下去。未来的稳态运行的热核聚变堆用于商业运行后,所产生的能量够人类用数亿年乃至数10亿年。从长远来看,核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源,人类将从“石油文明”走向“核能文明”。


从能量概念的角度,这个装置被形象地称为“人造太阳”。核聚变装置就是要模仿太阳内部的环境,使之产生核聚变反应,释放出巨大能量

  核聚变在地球上很少发生,但在太阳上,核聚变每时每刻都在发生,它的发生需要高温状态。亿万年来,地球上的万物靠着太阳源源不断的能量维持自身的发展。在太阳的中心,温度高达2 000万摄氏度,气压达到3 000多亿个大气压。在这样的高温高压条件下,氢原子核聚变成氦原子核,并放出巨大能量。几十亿年来,太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置,无休止地向外辐射着能量。科学家希望,能够创造一个类似于太阳环境的装置,但其困难程度远远超出了他们最初的预计。核聚变的难度比核裂变要大得多,因为要让氘和氚发生聚变反应,氘和氚所处的环境温度必须达到1亿摄氏度以上。在这样的高温下,拿什么样的容器把高温下的氘氚气体约束在一起?这样高的温度,任何材料都注定无法承受。一旦某个环节出现问题,燃料温度下降,聚变反应就会自动中止。


激光被称为“世界上最强的光”,科学家希望能借助这种高能量的光来产生“人造太阳”所需的高温。但到目前为止,最大功率的激光器仍然不足以维持能够恒久发热用的核聚变反应 

  另外,“人造太阳”还面临着两大问题:一是如何让高温持续地产生;二是材料的问题。把材料加热1亿摄氏度,维持1秒钟没有问题,常规热核聚变堆可以到5秒、10秒,超导热核聚变堆可以到100秒、1 000秒。问题是1 000秒以后能否持续高温?如何保持连续的稳态的高温?还有就是材料的承受能力,10秒钟没有问题,100秒、1 000秒有没有问题?最后要连续运行,材料能承受吗?另外材料如何更换?材料损耗有多快?这将是两个非常重大的难题。

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