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托卡馬克、仿星器、基于激光的概念和其他概念:核聚變裝置的全球視角

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反場箍縮磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置(KTX,簡稱“科大一環(huán)”)是位于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的一個(gè)中型核聚變裝置(照片來源:國際熱核實(shí)驗(yàn)堆)

自20世紀(jì)50年代進(jìn)行首次實(shí)驗(yàn)以來,在地球上復(fù)制核聚變這一恒星動(dòng)力源一直是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)今,科學(xué)家和工程師繼續(xù)新的探索,以使這種幾乎無限的能源更接近實(shí)際應(yīng)用。多年來,已設(shè)計(jì)和建造各種實(shí)驗(yàn)聚變裝置,包括托卡馬克、仿星器和基于激光的技術(shù),以推動(dòng)實(shí)現(xiàn)聚變能前景,有朝一日徹底改變我們的能源生產(chǎn)方式。

全球目前有超過130個(gè)公共和私人實(shí)驗(yàn)聚變裝置在運(yùn)行、建造或計(jì)劃建造中,它們采取產(chǎn)生聚變反應(yīng)的不同方案,設(shè)計(jì)多種多樣。為了審視所有這些裝置,原子能機(jī)構(gòu)發(fā)布了一份新報(bào)告2022年世界聚變裝置概覽》,其中涵蓋包括中國在內(nèi)的世界各地的聚變裝置。

該報(bào)告進(jìn)一步闡述了原子能機(jī)構(gòu)名為“聚變裝置信息系統(tǒng)”在線數(shù)據(jù)庫上的可用信息。

“聚變能一旦實(shí)現(xiàn),將使每個(gè)國家受益,并與核能和其他形式的可持續(xù)能源形成合力,支持減緩氣候變化,促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)。”原子能機(jī)構(gòu)核等離子體聚變專家Matteo Barbarino說,“聚變能幾乎可以惠及每個(gè)國家,這就是它如此重要的原因之一。”

“在世界各地,研究人員和工程師正在探索不同的聚變裝置設(shè)計(jì),以推動(dòng)進(jìn)展,”他繼續(xù)說,“而我們這份新出版物從這些裝置能力的角度全面概述了聚變研究和發(fā)展活動(dòng)?!?/p>

核聚變是原子核結(jié)合形成重原子核并釋放大量能量的過程。然而,在實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)持續(xù)和受控聚變反應(yīng)伴隨著若干科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)。為使這種反應(yīng)持續(xù)下去,必須把燃料(通常是氫同位素)約束和保持在高壓和比太陽核心熱幾倍的極高溫度下。

仍需取得相當(dāng)大的進(jìn)展。30多個(gè)國家已進(jìn)行不同類型的核聚變裝置實(shí)驗(yàn),通常成功實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng),但時(shí)間很短,也未產(chǎn)生有用的能量。

在世界各地,研究人員和工程師正在探索不同的聚變裝置設(shè)計(jì),以推動(dòng)進(jìn)展,而我們這份新出版物從這些裝置能力的角度全面概述了聚變研究和發(fā)展活動(dòng)。
原子能機(jī)構(gòu)核等離子體聚變專家Matteo Barbarino

不同的方案,相同的目標(biāo)

新報(bào)告各章專門介紹一種不同的設(shè)計(jì)類別,提供了包括其名稱、現(xiàn)狀、所有權(quán)、所在國和組織在內(nèi)的詳細(xì)信息,并對該裝置的目標(biāo)和主要功能作了簡要描述。報(bào)告還提供了關(guān)于出版物、資金和其他參數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以幫助全面了解全球聚變活動(dòng)狀況。

例如,托卡馬克和仿星器是最常見裝置,也是目前許多研究的重點(diǎn)。這些環(huán)形裝置包含控制等離子體(一種高溫帶電氣體)運(yùn)動(dòng)的大型磁體,以產(chǎn)生聚變。報(bào)告顯示,目前世界上有50多個(gè)托卡馬克和10多個(gè)仿星器在運(yùn)行。世界最大的托卡馬克國際熱核實(shí)驗(yàn)堆目前正在法國建造,有35個(gè)國家參與了該項(xiàng)目。

另一種方案包括慣性聚變,使用高功率激光器(或其他手段)加熱和壓縮含有燃料芯塊的微小球形膠囊。去年12月,美國國家點(diǎn)火裝置利用這種方案在核聚變研究方面取得了重大進(jìn)展,其192臺(tái)激光器輸出的2.05兆焦耳能量產(chǎn)生了約3.15兆焦耳能量。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室慣性約束聚變計(jì)劃設(shè)計(jì)物理部首席科學(xué)家Omar Hurricane說:“今年,我們發(fā)現(xiàn)自己可以用過去式談?wù)撊紵入x子體、聚變點(diǎn)火和目標(biāo)能量增益大于1這些里程碑,這種情況非同尋常?!?/p>

報(bào)告還詳細(xì)介紹了科學(xué)家們繼續(xù)致力于創(chuàng)造聚變的其他設(shè)計(jì),例如,使粒子加速器產(chǎn)生的兩個(gè)離子束相互碰撞,在碰撞點(diǎn)產(chǎn)生聚變,或嘗試氫同位素以外的燃料,例如,基于質(zhì)子與硼-11聚變的燃料。

為了證明聚變能夠有效發(fā)電,人們越來越多地致力于設(shè)計(jì)和建造示范聚變電站(或稱DEMO),其中也包括私營部門正在進(jìn)行的投資。報(bào)告還專門用一章介紹了中國、歐洲、日本、俄羅斯、韓國、英國和美國處于不同發(fā)展階段的12個(gè)示范聚變電站概念,其目標(biāo)完成日期在未來三十年內(nèi)不盡相同。Barbarino說:“我們在了解聚變及其科學(xué)方面取得了重大進(jìn)展,但在聚變成為實(shí)用的電力來源之前,還有很多工作要做?!?/p>

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