核融合:我们应该如何兴奋?

核融合为太阳提供动力,为地球提供热量和光。但是我们可以自己做吗?

关于最新结果来自联合欧洲圆环(JET)设施在英国,暗示核融合能力的梦想正在更接近现实。我们知道融合有效 - 这是为太阳提供动力,为地球提供热量和光线的过程。但是几十年来,很难从科学实验室实验到持续的电力生产过渡。

融合的基本目的是使原子核合并在一起,以创建一个不同,更重的核 - 在此过程中释放能量。这与核裂变不同,核裂变在核裂变中,像铀等重核分为较小的核,同时也释放能量。

一个很大的困难是将光原子,氢或氦的同位素融合在一起的过程。由于它们是电动带电的,互相排斥,除非核移动得足够快,从而彼此相距,因此它们可以固定融合。由于其巨大的引力场和庞大的体积,太阳以其核心实现了这一目标。

地球实验室中使用的一种方法是“惯性监禁”,因此,使用激光能量将直径十分之一的微小融合燃料沉淀加热并从外部加热。近年来,这项技术取得了一些令人鼓舞的进步,也许最著名的是国家点火设施在美国,有130万焦耳(一种能量)融合产量据报道去年。虽然这产生了10四亿瓦的功率,它仅持续了一秒钟(90万亿分之一)。

另一种技术,”磁性限制”,在世界范围内的实验室中部署了更广泛的部署,被认为是实现未来融合电站的最有前途的路线之一。它涉及使用热等离子体形式的融合燃料(一团带电颗粒),仅限于强磁场。在创造融合反应的条件时,禁闭系统需要将燃料保持在适当的温度和密度和足够的时间。

这是挑战的重要组成部分。需要将少量的融合燃料(通常仅几克)加热到巨大的温度,比太阳中心(1.5亿°C)高10倍。在维持磁笼以维持能量输出的同时,需要发生这种情况。

可以使用各种机器来保留等离子体的磁性限制,但迄今为止最成功的是所谓的“Tokamak”设计,使用圆环(甜甜圈形)和复杂的磁场来限制在喷气设施中使用的等离子体。

小步还是大飞跃?

最近的结果标志着寻求融合能力的真正垫脚石。在五秒钟内生产的总共5900万焦耳能源的平均融合功率约为1100万瓦。虽然这仅足以加热约60水壶,但它令人印象深刻 - 创造能量输出的2.5倍之前的纪录,回到1997年(同时在Jet设施中,实现了2200万焦耳)。

JET的成功是多年计划的高潮,以及经验丰富的专门科学家和工程师团队。JET是世界上最大的Tokamak,也是唯一能够同时使用氘和trium燃料(都是氢的同位素)的唯一设备。

机器的设计使用铜磁铁迅速加热,这意味着它只能以高达几秒钟的等离子体突发来运行。为了迈出更长的持续高功率操作,将需要超导磁铁。幸运的是,在迭代设施,目前是在法国南部建造的,是涉及35个国家的国际努力的一部分,现在已完成80%。因此,最近的结果对Iter机器设计的工程设计和物理性能(也是一种磁性限制装置)给予了极大的信心,该设备旨在生产5亿瓦的融合功率。

但是,仍然存在其他重要挑战。其中包括开发适当耐用的材料,这些材料能够承受机器内部的巨大压力,处理巨大的动力排气,最重要的是,能够在经济上与其他形式的能源生产具有经济竞争。

事实证明,实现显着的功率输出并维持它们超过很短的时间,这是融合数十年来的主要挑战。没有最终解决这个问题,最终无法使最终的融合动力装置无法发挥作用。这就是为什么喷气结果代表着重要地标,尽管只是标记了一步。

2018年的ITER构造。橡树岭国家实验室,,,,CC BY-SA

巨大的飞跃将随后融合系统(例如ITER),然后在示范发电厂中扩展当前的融合成就。而且,这应该在不远的未来,旨在在2050年代或更早的时间之前进行操作。

关键的好处

有很多危险。融合比在地球上实现的任何其他过程都产生的每克燃料能量更多。融合的一些主要好处是该过程的产物是氦气和中子(构成原子核的颗粒,以及质子旁边) - 没有释放二氧化碳或其他温室气体。原始燃料是,可以在海水和锂中找到,锂也很丰富,可以在巨大的盐平底鞋中发现。从一台笔记本电脑电池和水浴缸中的水估计相当于约40吨煤炭。

融合确实在包含反应器的材料中产生了一些放射性。但是,预计不会像核裂变产生的放射性废物那样长或强烈,这可能比传统的核能更安全,更可口。

最终,罗马不是一天建造的。人类创造力的其他各个方面,例如航空,历史上已经花费大量时间来实现。这意味着一路走来的步骤非常重要,应该正确地庆祝。

Fusion越来越不可避免地向前蔓延,我们越来越接近实现曾经遥远的商业融合能力的梦想。有一天,它将为许多后代提供几乎无限的低碳电源。因此,虽然它还不到,但它即将到来。

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