融合能量的過渡時期和潛力

幾個世紀以來,人類一直夢想著 利用太陽的力量 為地球上的生活注入活力。 但是我們想要超越收集太陽能,有一天從微型太陽產生我們自己的太陽能。 如果我們能夠解決一系列非常複雜的科學和工程問題,那麼聚變能就可以實現 綠色,安全,無限的能源。 從剛開始 每天從水中提取一公斤氘 可以用足夠的電力為成千上萬的家庭供電。

自1950s以來,科學和工程研究都有 取得了巨大進步 迫使氫原子在自我維持的反應中融合在一起 - 以及a 小但可證明的數量 聚變能。 懷疑論者和支持者都一樣 注意剩下的兩個最重要的挑戰:長時間保持反應並設計一種材料結構來利用聚變能發電。

作為融合研究人員 普林斯頓等離子物理實驗室我們現實地知道,第一個商業聚變發電廠至少還需要25年。 但其超大利益的潛力可能會在本世紀下半葉到來,這意味著我們必須繼續努力。 融合可行性的主要證明可以更早 - 而且必須完成,以便將聚變能力納入我們能源未來的規劃中。

與其他形式的發電不同,例如太陽能,天然氣和核裂變,融合不能用微型開發,然後簡單地按比例放大。 實驗步驟很大,需要時間來構建。 但是,豐富,清潔能源的問題將是一個 對人類的主要呼喚 為下個世紀及以後。 如果不充分利用這一最有希望的能源,那將是蠻幹的。

為什麼融合力量?

在融合中,氫原子的兩個原子核(氘和氚同位素) 融合在一起。 這是相對困難的:兩個原子核都是帶正電的,因此相互排斥。 只有當它們碰撞時它們移動得非常快時,它們才會粉碎在一起,融合併從而釋放出我們所追求的能量。


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這在陽光下自然發生。 在地球上,我們使用強大的磁鐵來容納極熱的帶電氘和氚原子核和電子。 這種熱的帶電氣體稱為等離子體。

等離子體非常熱 - 超過100百萬攝氏度 - 帶正電的原子核移動速度足以克服它們的電排斥和熔斷。 當原子核融合時,它們形成兩個高能粒子 - 一個α粒子(氦原子的核)和一個中子。

將等離子體加熱到如此高的溫度需要大量的能量 - 必須在熔化開始之前將其放入反應器中。 但是一旦它開始運轉,融合就有可能產生足夠的能量來維持自身的熱量,使我們能夠抽出多餘的熱量轉化為可用的電力。

用於聚變能量的燃料本質上是豐富的。 氘在水中很多,反應堆本身也可以 用鋰製造氚。 它適用於所有國家,主要是獨立於當地的自然資源。

融合力量很乾淨。 它不排放溫室氣體,僅產生氦氣和中子。

這很安全。 有 不可能發生失控反應就像核裂變“崩潰”一樣。相反,如果有任何故障,等離子體會冷卻,融合反應就會停止。

所有這些屬性都推動了數十年的研究,隨著時間的推移變得更具吸引力。 但積極因素與融合的重大科學挑戰相匹配。

迄今取得的進展

融合的進展可以用兩種方法來衡量。 首先是對高溫等離子體的基本理解的巨大進步。 科學家們不得不開發一個新的物理領域 - 等離子體物理 - 設想將等離子體限制在強磁場中的方法,然後發展加熱,穩定,控制湍流和測量超熱等離子體特性的能力。

相關技術也取得了巨大進步。 我們有 用磁鐵推動了邊界,以及電磁波源和粒子束 包含並加熱等離子體。 我們還開發了技術 材料可以承受高溫 當前實驗中的等離子體。

很容易傳達跟踪融合向商業化邁進的實用指標。 其中最主要的是實驗室產生的聚變能:融合發電從1970s的毫瓦級升級到10兆瓦的XNUMX兆瓦(普林斯頓等離子體物理實驗室)和 16兆瓦一秒鐘 (在英格蘭的聯合歐洲圓環中)在1990中。

研究的新篇章

現在,國際科學界正在團結一致,在法國建立一個大規模的聚變研究設施。 叫 ITER (拉丁語為“the way”),這個工廠將產生約500兆瓦的熱聚變功率,每次約8分鐘。 如果這種電力轉換為電力,它可以為150,000家庭供電。 作為一項實驗,它將使我們能夠測試關鍵的科學和工程問題,為將繼續發揮作用的聚變發電廠做準備。

ITER採用的設計稱為“託卡馬克,“最初是俄語的縮寫。 它涉及環形等離子體,限制在非常強的磁場中,其部分地由在等離子體本身中流動的電流產生。

儘管ITER被設計為一個研究項目,並不打算成為電能的淨生產者,但ITER產生的10能量比加熱等離子體所需的50兆瓦時的XNUMX倍。 這是一個巨大的科學步驟,創造了第一個“燃燒等離子體,“其中用於加熱等離子體的大部分能量來自聚變反應本身。

ITER得到了支持 代表世界一半人口的政府:中國,歐盟,印度,日本,俄羅斯,韓國和美國。這是關於聚變能源需求和承諾的強有力的國際聲明。

前進的道路

從這裡開始,剩餘的聚變能力路徑有兩個組成部分。 首先,我們必須繼續研究託卡馬克。 這意味著推進物理和工程學,這樣我們就可以將血漿保持穩定狀態,持續數月。 我們需要開發能夠承受相當於太陽表面熱通量長五分之一的熱量的材料。 我們必須開發能夠覆蓋反應堆堆芯以吸收中子和繁殖氚的材料。

融合之路的第二個組成部分是開發增強融合吸引力的想法。 四個這樣的想法是:

1)使用計算機,在物理和工程的約束下優化聚變反應堆設計。 除了人類可以計算的,這些優化設計產生 扭曲的甜甜圈形狀 高度穩定,可連續數月自動運行。 它們在融合業務中被稱為“仿星器”。

2)開發出更高,更小的新型高溫超導磁體 今天最好的。 這將使我們能夠建造更小,可能更便宜的聚變反應堆。

3)使用液態金屬而不是固體作為等離子體周圍的材料。 液態金屬不會破裂,為周圍材料接觸等離子體時可能出現的巨大挑戰提供了可能的解決方案。

4)包含環形等離子體的建築系統 中心沒有洞,形成一個 等離子體幾乎像一個球體。 這些方法中的一些也可以用較弱的磁場起作用。 這些“緊湊的花托“和”低場“方法也提供了減小尺寸和成本的可能性。

政府資助的研究計劃 世界各地正在研究這兩個組成部分的元素 - 並將產生有益於所有融合能量方法(以及我們對宇宙和工業中等離子體的理解)的發現。 在過去的10到15年代, 私人資助的公司也加入了這項努力,特別是尋求緊湊的托里和低場突破。 進步即將到來,它將帶來豐富,清潔,安全的能源。

談話

關於作者

Stewart Prager,天體物理科學教授,普林斯頓等離子體物理實驗室前主任, 普林斯頓大學(Princeton University) 普林斯頓等離子體物理實驗室研究副主任Michael C. Zarnstorff 普林斯頓大學(Princeton University)

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[編者註:這是一個 警示信息 關於聚變能。]

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