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核聚变的历史和未来

发布时间:2019-10-21 14:28 原作者:kafuka   来自: 嘿嘿能源heypower

核聚变简史

1920

英国天文学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)的《恒星内部构造》认为,包括太阳在内的恒星是由氢的核聚变提供动力的。


在天文学和物理学领域,亚瑟·爱丁顿爵士享有世界声誉。他出生在肯德尔,自1913年起一直是剑桥大学的普卢米安天文学教授。

1938

核物理学家汉斯·贝特(Hans Bethe)描述了核聚变反应,这些聚变反应产生的能量是由恒星发出,为此,他后来获得了诺贝尔奖。

1951

胡安·佩隆(Juan Perón)和科学家罗纳德·里希特(Ronald Richte)宣布,阿根廷已经发展了核聚变能。

1952

第一次氢弹试验代号为艾薇·迈克(Ivy Mike),使用裂变爆炸来点燃氘燃料中的聚变反应。

10兆吨的爆炸在埃尼威托克环礁上留下一个巨大的火山口。

1958

ZETA令人既兴奋又失望,因为英国研究人员宣布他们可能制造出来了受控的核聚变反应,但后来该消息遭“撤回”。

来源:每日简报

1969

英国将激光设备带到苏联测量T-3托卡马克的温度,确认了1000万摄氏度的等离子体。

1982

托卡马克核聚变试验反应堆(简称TFTR)在普林斯顿等离子体物理实验室启动。它创下了5.1亿摄氏度的等离子体温度纪录。

1985

苏联在米哈伊尔·戈尔巴乔夫和罗纳德·里根的日内瓦峰会上提出了在核聚变方面的国际合作,这导致了国际热核聚变实验堆(ITER)的启动。

摄影:德克·哈尔斯特德/生活收藏/盖蒂图片社

1989

化学家马丁·弗莱什曼(Martin Fleischmann)和斯坦利·庞斯(Stanley Pons)的冷聚变实验无法复制。

1997

欧共体联合聚变中心(简称JET)创下了核聚变输出为16.1兆瓦的记录,相当于输入能量的大约67%Q值为0.67

2019

在法国南部,国际核聚变示范项目ITER的建设已完成60%。开启后,预计ITER产生的能量是其消耗能量的10倍,Q值为10

来源:ITER


美国、英国的研究

在普林斯顿,美国政府一项旨在研究氢弹的绝密项目开始研究核聚变技术。1951年,那里的科学家开始开发一种称为“恒星发生器”的装置,该装置将利用磁场来限制过热的等离子体。这项工作代号为马特霍恩计划(Project Matterhorn)最终被解密。
在英国,一台名为Zeta的机器,通过流过大电流来“约束”聚变燃料,导致在1958年又一次提前宣布了核聚变时代的到来。事实证明,燃料的异常不稳定性导致研究人员误认为他们看到了核聚变的证据。

托卡马克装置

《阿根廷新闻》还简短报道了一项不同政见者、诺贝尔和平奖获得者、苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)提出的构想:用一种叫做托卡马克的装置将核聚变燃料限制在环形结构中。


20世纪60年代世界各地的政府实验室和大学开始认真建造托卡马克以来,已经建造了200多台工作机器。核聚变领域取得进展的一个关键标志是所谓的三重积图,这是衡量反应堆性能的指标。根据时间线绘制出系统的温度,密度和绝缘程度,看上去很像摩尔定律,其著名的计算能力每两年翻一番。但是核聚变的发展更快。“托卡马克已经击败了摩尔定律。”从麻省理工学院独立出来的联邦核聚变系统公司的首席执行官鲍勃·穆加德(Bob Mumgaard)说。


那么,核聚变系统有多热呢?想想太阳。我们的局部恒星有很多超大的引力可以应用在核聚变过程。它的内部产生的压力相当于33.3万个地球的质量和1500万摄氏度(2700万华氏度)的温度。这就是核聚变发生的熔炉。


在地球上,由于重力要小得多,你需要更高的温度:例如1亿摄氏度。加州Foothill TAE科技公司的首席执行官Michl Binderbauer说,要达到这个目标,第一步就是加热气体并将其转化为等离子体。“这是通过增加更多的能量来实现的,所以在某个时刻,组成原子的离子和电子会分解成一团电荷”他说,“事实上,宇宙的大部分都处于我们称之为等离子体的状态。”

等离子体

宇宙中几乎所有可见的物质都是等离子体。宾德尔鲍尔(Binderbauer)解释说:“我们可能生活在宇宙中为数不多的星点之一中,除了闪电或其他东西外,我们周围的环境中没有等离子体。”

更重要的是,在20世纪50年代,等离子体中的不稳定性和其他“怪异行为”使核聚变比预期的要困难得多时,穆加德说,这促使了一门完整的学科(等离子体物理学)的发展。反过来,这一领域在医学和半导体制造方面也做出了贡献。


现在,将等离子体加热到1亿摄氏度听起来令人畏惧和恐惧。它碰到任何东西就会蒸发掉吗?简言之:不会。宾德尔鲍尔(Binderbauer)说,等离子体是真空室中的一小部分粒子。它的密度比空气的密度小几百万倍,它的状态极其脆弱,如果碰到任何东西,它就会立即冷却下来


宾德尔鲍尔(Binderbauer)说,TAE的诺曼机器将等离子加热到3500万度。假设他能把手伸进真空壳体中,那么等离子体将不会烧伤他。“我的手臂将吸收所有的能量,”他说。“我甚至不会变得很暖和。”与核裂变不同的是,核聚变没有核心熔毁的危险。他说,“你必须保护等离子体不受周围环境的影响,而不是相反。”


位于温哥华附近的不列颠哥伦比亚省伯纳比的General Fusion公司首席执行官克里斯托弗.莫里(Christofer Mowry)说,与太阳能、风能和其他间歇性可再生能源相比,核聚变还有一个重要的好处:它是“可调度”的能源。在大多数核聚变的预期应用中,反应过程中产生的能量将加热水并运行传统的蒸汽涡轮发电机。莫里说,工厂可以安全方便地坐落在城市和其他需要能源的地方。

实现核聚变异常困难

核聚变的一个明显的不利因素,反映在核领域70年的历史上,使即将取得突破的希望破灭了:实现核聚变异常困难。1983年,已故的劳伦斯·利茨基(Lawrence Lidsky)是当时麻省理工学院等离子核聚变中心的副主任,他撰写了一篇题为“核聚变的困难”的文章,他写道:

  
“核聚变是一个对科学家和工程师来说都是好问题的教科书式范例。许多人认为这是有史以来最难解决的科学和技术问题,但它仍然屈服于我们的努力。”

尽管如此,利茨基列出了一系列问题,他认为,这些问题使得核聚变不太可能成为经济上可行的能源来源。


30多年后,利茨基发现的问题依然存在。其中最主要的是放射性。可以肯定的是,核聚变中使用的燃料并不像裂变中的铀和核废料那么危险。要了解核聚变的放射性挑战,就需要对科学进行更深入的研究。


首先,各种不同的轻元素可以在聚变反应中结合。然而,最容易熔合的燃料是氢的两种同位素的50-50组合:氘和氚。所谓的D-T一直是该领域的重点。氘是重氢,是在海水中发现的物质。它的原子核由一个质子和一个中子组成(与普通氢的单独质子相反)。氚是重的,重氢:一个带有两个中子的质子。它具有放射性,半衰期约为12年。它也非常稀有和昂贵,但会在核聚变反应堆中繁殖。


当氘和氚原子核融合时,能量以α粒子(氦原子核,是两个质子和两个中子

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