編輯:佳慧????發布時間:2022-04-25 14:24
作為未來的清潔能源,核聚變受到了人們廣泛關注。2022 年,緊湊型聚變技術被《麻省理工科技評論》評選為“全球十大突破性技術”之一。
很多人都關注的問題是,核聚變到底何時有望商業落地?
雖然它在短期內實現商業化仍充滿挑戰,但全球都在積極推動核聚變的商業發展進程。
1、核聚變定義
根據國際原子能機構定義,核聚變反應是指由質量輕的原子核融合形成質量更重的原子核這一過程,過程中會釋放出部分能量,稱為核聚變能。早在五十年代初地球上就實現了聚變核反應,這就是氫彈的爆炸。它是依靠原子彈爆炸時形成的高溫高壓,使得氫彈里面的熱核燃料氣氣發生聚變反應,釋放巨大能量,形成強大無比的破壞力??上н@種瞬間的猛烈爆炸無法控制。
2、可控核聚變
是指安全、可控的、能夠持續進行的核聚變反應。其釋放能量大、原料來源豐富、產生的放射性廢物少并且多為惰性氣體氦,與核裂變相比具有更高的安全性,還無污染。因為其實現原理與太陽相似,因而可控核聚變又稱為“人造太陽”。人類如果要將核聚變的能量真正利用起來,就必須對核聚變的速度和規模進行控制,并將能量持續、平穩輸出。
3、商業化的可控核聚變
目前可用于商用場景的可控核聚變,是把兩個小的原子【氣和氚】加熱至1億°核合并成一個大的原子核的過程【21H(氘)+31H(氚)一42He(氦6)+10n(中子)+17.6MeV(能量)】,這個過程會釋放出巨大的能量。核聚變比我們目前使用的核裂變(比如核電站和原子彈)要更安全、能源儲備也更加豐富(核聚變的主要原料是氫的同位素,海洋儲量巨大,產出潛力幾乎是無限的),而且產生的廢物也少得多。
4、可控核聚變的原理
核聚變反應指的是兩個輕原子核合并形成一個更重的原子核時釋放出巨大能量的過程。這種反應在恒星內部是天然發生的,如太陽就是通過核聚變反應持續發光和發熱。在人工實現的可控核聚變研究中,常見的聚變反應有:
DT(氘-氚聚變):氘-氚反應是當前可控核聚變研究中最有希望實現的反應,因為它在相對較低的溫度下就能發生,且釋放的能量相對于其他反應來說非常高。但這種反應產生的中子具有很高的能量,處理這些中子的輻射和材料問題是目前研究的難點之一;
DD(氘-氘聚變):氘-氘反應是最基本的聚變反應之一,產生氦-3和一個中子,或者產生一個氚原子和質子。這種反應相對容易實現,但由于同位素氘的獲取相對簡單,它是可控核聚變研究中的一個重要反應;
pB11(質子-硼11聚變):這一過程不直接釋放中子,因此相比其他聚變反應,比如常見的氘-氚(D-T)聚變,它被認為是一種更為“清潔”的核聚變反應,因為它產生的放射性廢物更少。pB11聚變反應對溫度和壓力的要求極高,遠高于氘-氚聚變反應需要的條件。
DHe3(氘-氦3聚變):d氘-氦3反應也是一種受到關注的聚變反應,因為它相較于D-T反應產生較少的中子,是一種更為“清潔”的核聚變反應。但氦-3的獲取相對困難,這是實現該反應的主要挑戰之一;
He3He3(氦3-氦3聚變):氦3-氦3聚變反應完全不產生中子,被認為是一種極其干凈的核能源。然而,與D-He3反應類似,氦-3的稀缺和高昂成本是限制這種反應發展的主要因素。
根據Fusion Industry Association統計,目前核聚變反應中原料來源中,氘氚聚變反應占比為65%,是當前最主要的核聚變反應形式。
DT聚變反應是當一個氘核與一個氚核聚在一起,在高溫等條件下發生反應,形成一個新的原子核-氦,同時釋放出1個中子,反應過程中減少的質量變成了大約17.6MeV的能量。由于DT反應速率高且反應橫截面較大,同時原材料氘容易獲取。
7、可控核聚變的約束裝置
約束裝置在核聚變研究中至關重要,它的主要目的是為了維持和控制高溫等離子體狀態,以促進和維持聚變反應。核聚變反應需要極端的條件,包括非常高的溫度(約1億攝氏度)和密度,以使得原子核能夠克服電磁斥力,發生聚合并釋放能量。為了達到這些條件并在實驗或反應器中維持足夠長的時間,人們發展了不同類型的約束裝置。
每一種聚變實現方法都有其優勢和面臨的技術挑戰,目前還沒有任何一種技術實現了可控核聚變的商業化應用??茖W家們仍在致力于克服物理和技術障礙,以期未來實現這一夢想。