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可控核聚变用于发电的可能性

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2012/7/2 14:32:40   

 关键词:  核聚变 核聚变反应堆

摘要:随着地球的常规能源不断减少,使人们的关注重点从常规化石能源转向了 摘要 有很大发展前景的新能源,而新能源中的核能虽不可再生,但如果我们能较好的 控制其能量的释放过程,我们就可以不会担心能源危机了。虽然世界上有一些国 家已经通过核裂变产生的能量建立了发电站,但核裂变虽然能产生巨大的能量, 但远远比不上核聚变,裂变堆的核燃料蕴藏极为有限,不仅产生强大的辐射,伤 害人体,而且遗害千年的废料也很难处理,核聚变的辐射则少得多,核聚变的燃 料可以说是取之不尽,用之不竭。核聚变要在近亿度高温条件下进行,这近亿度 的温度怎么产生,怎么样控制核聚变缓慢的释放能量以用于发电,是我们需要解 决的问题,也是可控核聚变是否能用于发电的关键。

核聚变反应堆系指在其中维持可控核聚变反应的装置。 它可分磁约束核聚变 反应堆、激光核聚变反应堆等。核反应堆的基本组成是堆芯、控制系统及冷却系 统等。堆芯是发生核裂变和核聚变反应的部位,冷却剂流过堆芯将核裂变或核聚 变反应发出的热量带走。控制系统用来控制核裂变或核聚变反应速度。

在极高温度和压力下, 将两个轻原子核 (氘和氚) 聚合成一个较重的原子核, 从而释放出巨大的能量和放射线的过程。太阳上每时每刻都在发生聚变反应,氢 弹爆炸就是利用聚变过程实现的,受控核聚变就是全世界在研究的重大技术,受 控核聚变的成功和商业推广应用, 将为人类找到一条保证长期稳定能源供应的有 效途径。受控核聚变过程,必须用人为的办法使氘和氚的等离子体达到足够高的 温度和密度, 通常要加热到上亿度温度, 而且要对相互排斥的等离子体加以约束。 磁约束和惯性约束是实现等离子体约束的两种办法。目前,正在研究的核聚变实 验方法是磁约束聚变和激光聚变等办法。

我们现在就进行技术开发的话,它就可以取代煤和石油,煤和石油一旦用 完了,核能就跟上去了,这是一个优点。进一步来讲,除了有裂变能以外,还有 一种是两个氢的同位素的原子核聚合成一个原子核, 这样在聚合的过程当中质量 少了一点,也变成巨大能量。而这聚变发出的能量比铀裂变还要大。热核聚变目 前是把氘和氚聚变。氢原子核里面只有一个质子,氘原子核里面有一个质子加一 个中子,氚是一个质子加两个中子,氘和氚聚变合到一起就变成氦气,一般是氘氚产生的聚变能要比裂变能大四倍。为什么氢弹比原子弹厉害,因为氢弹采取聚 变的原理,原子弹采用裂变的原理。聚变的能量比裂变能量大很多。同等质量是 它的四倍。 但是氘和氚合成的温度要到几千万乃至上亿度, 非常苛刻的温度条件。 原子弹爆炸就能产生几千万度的温度, 故氢弹里一定有一个原子弹来提供巨大的 温度。我们要发展可控的热核反应,与氢弹不同。那么我们怎么获得那么高的温 度呢?这就像我们点火,要达到燃烧物的点火温度一样,才能触发其反应。关于 核聚变的“点火”问题,激光技术的发展,使可控核聚变的“点火”难题有了解决的 可能。目前,世界上最大激光输出功率达 100 万亿瓦,足以“点燃”核聚变。除激 光外,利用超高额微波加热法,也可达到“点火”温度。世界上不少国家都在积极 研究受控热核反应的理论和技术,美国、俄罗斯、日本和西欧国家的研究已经取 得了可喜的进展。1991 年 11 月 9 日 17 时 21 分,物理学家们用欧洲联合环形 聚变反应堆在 1.8 秒种里再造了“太阳”,首次实现了核聚变反应,温度高达 2×108℃,为太阳内部温度的 10 倍,产生了近 2 兆瓦的电能,从而使人类多年 来对于获得充足而无污染的核能的科学梦想向现实大大靠近了一步。2006 年 9 月 28 日 核电世界领先的中国新一代热核聚变装置 EAST(人造太阳)首次成功 完成了放电实验,获得电流 200 千安、时间接近 3 秒的高温等离子体放电。实验 实现了装置内部1亿度高温,等离子体建立、圆截面放电等各阶段的物理实验, 达到了预期效果。EAST 成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核 聚变实验装置,它将在未来 10 年内保持世界先进水平。 根据现在的科技发展程 度,我们已经为点火条件提供了一定的基础 。

在完成了点火的基本条件后,我们就需要对核聚变的系列反应进行控制,我 们希望核聚变在我们的控制下缓慢的释放出热能, 从而提供给我们充足稳定的能 量去驱动发电机去发电。受控热核聚变是当时世界重大科研课题之一。它的任务 是根据太阳和其他恒星 释放能量的原理,设法将氢弹爆炸这一瞬间完成的核聚 变现象变成可以控制的过程, 从而使它的能量能充分被人类所利用。早在 50 年代后期,中国已开始受控热核聚变研究。60 年代初,因国民经济 暂时困难, 研究几乎停止了。60 年代后期,国际上出现了“托卡马克”(环形电 流器)研究 热,中国也积极地开始了这方面的研究。核工业部西南物理研究所的科 技人员 在没有这方面的图纸和技术资料的条件下,经历 8 年的苦苦攻关,终于研制 成 功中国环流器一号。我国自行设计和研制的最大的受控核聚变实验装置“中国环 流器一号”,已在四川省乐山地区建成,并于 1984 年 9 月顺利启动,它标志着 我国研究受控核聚变的实验手段,又有了新的发展和提高,并将为人类探求新能 源事业做出贡献。美中两国科学家分别于 1993 年和 1994 年在这个领域的研究 和实验中取得新成果。中国环流器一号是一台中型“托卡马克”装置,大环半径 1.02 米,有干式 长脉冲变压器、环向磁场线圈、内外垂直磁场线圈、内外真空室、超高真空机组和 高真空机组,以及主机支架及其驱动机构等六大部件。这 套装置顺利启动后,产生了等离子体,取得了预期的调度数据。这就使我们能够 在一定范围下控制核裂变反应的希望。

综上所述,我们在这两个关键环节上有了一些重大的突破,使我们更有依据 相信可控核聚变用于发电的可能性, 当然我们对于核聚变反应的研究还在不断探 索和研究中,我们还需投入更多的精力与时间验证其真正商业化的可能性。可喜 的是 2006 年 5 月 24 日,国家科学技术部代表我国政府与其他六方一起,在比利 时首都布鲁塞尔草签了《国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)联合实施协定》。这标志着 ITER 计划实质上进入了正式 执行阶段,即将开始工程建设,也标志着我国实质上参加了 ITER 计划,同时也 标志着 ITER 计划进入全面实施的准备阶段。所以说可控核聚变用于发电的前景 也是相当的光明的。

参考文献:

[1] Electron Injection by E—Field Drift and its Application in Starting—up Tokamaks at Low Loop Voltage

[2] 姚刚 王乃彦 p—^11B 聚变反应文献综述

[3] 李静 邓伟 张伟 托卡马克受控热核反应装置内部的非线性动力学分析

[4] 范叔平 HT-6M 托卡马克上的超低密度实验

[5] 袁坚 李辉等 氢硼热核反应截面测量

来源:互联网
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