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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驗裝置(KTX,簡稱“科大一環(huán)”)是位于中國科學技術大學的一個中型核聚變裝置(照片來源:國際熱核實驗堆)

自20世紀50年代進行首次實驗以來,在地球上復制核聚變這一恒星動力源一直是一個巨大挑戰(zhàn)。當今,科學家和工程師繼續(xù)新的探索,以使這種幾乎無限的能源更接近實際應用。多年來,已設計和建造各種實驗聚變裝置,包括托卡馬克、仿星器和基于激光的技術,以推動實現(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個公共和私人實驗聚變裝置在運行、建造或計劃建造中,它們采取產(chǎn)生聚變反應的不同方案,設計多種多樣。為了審視所有這些裝置,原子能機構發(fā)布了一份新報告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。

該報告進一步闡述了原子能機構名為“聚變裝置信息系統(tǒng)”在線數(shù)據(jù)庫上的可用信息。

“聚變能一旦實現(xiàn),將使每個國家受益,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,促進能源結構。”原子能機構核等離子體聚變專家Matteo Barbarino說,“聚變能幾乎可以惠及每個國家,這就是它如此重要的原因之一?!?/p>

“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計,以推動進展,”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?!?/p>

核聚變是原子核結合形成重原子核并釋放大量能量的過程。然而,在實際環(huán)境中實現(xiàn)持續(xù)和受控聚變反應伴隨著若干科學和技術挑戰(zhàn)。為使這種反應持續(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。

仍需取得相當大的進展。30多個國家已進行不同類型的核聚變裝置實驗,通常成功實現(xiàn)了核聚變反應,但時間很短,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計,以推動進展,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。
原子能機構核等離子體聚變專家Matteo Barbarino

不同的方案,相同的目標

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

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。這些環(huán)形裝置包含控制等離子體(一種高溫帶電氣體)運動的大型磁體,以產(chǎn)生聚變。報告顯示,目前世界上有50多個托卡馬克和10多個仿星器在運行。世界最大的托卡馬克國際熱核實驗堆目前正在法國建造,有35個國家參與了該項目。

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,美國國家點火裝置利用這種方案在核聚變研究方面取得了重大進展,其192臺激光器輸出的2.05兆焦耳能量產(chǎn)生了約3.15兆焦耳能量。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室慣性約束聚變計劃設計物理部首席科學家Omar Hurricane說:“今年,我們發(fā)現(xiàn)自己可以用過去式談論燃燒等離子體、聚變點火和目標能量增益大于1這些里程碑,這種情況非同尋常?!?/p>

報告還詳細介紹了科學家們繼續(xù)致力于創(chuàng)造聚變的其他設計,例如,使粒子加速器產(chǎn)生的兩個離子束相互碰撞,在碰撞點產(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計和建造示范聚變電站(或稱DEMO),其中也包括私營部門正在進行的投資。報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個示范聚變電站概念,其目標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方面取得了重大進展,但在聚變成為實用的電力來源之前,還有很多工作要做?!?/p>

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