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  • 为什么我们做不到核聚变?我们还有多久才能在技术上赶上那个电离气体球?

    我认为我们比太阳聪明。

    让我们比较一下。人类在科学技术方面取得了长足的进步,建造了城市、汽车、计算机和电话。我们已经为战争和能源进行了原子裂变。

    太阳做了什么?这是一个巨大的等离子体变分法解氢分子离子的薛定谔方程,主要由氢和氦组成。它时不时地向日冕物质抛射中喷出氢气。然而,太阳已经掌握了一种我们尚未掌握的能量形式:聚变。看到太阳坐在那里,毫不费力地做着我们最优秀的头脑已经挣扎了半个世纪的事情,真是令人恼火。

    为什么我们不能进行核聚变?多久我们才能在技术上赶上那个电离气体球?

    太阳的核聚变是怎么回事?20年后我们能用上聚变能吗?

    插图:充满活力和灿烂的阳光。拍摄:NASA/SDO。

    太阳通过核聚变产生能量的秘诀来自其巨大的质量。太阳包含 1.989 x 10^30 公斤的氢和氦,它们被向内挤压形成一个核心,温度达到 1500 万摄氏度,密度是水的 150 倍。

    太阳在这个核心将氢原子融合成氦原子。聚变过程是放热的,这意味着每个新的氦原子都会形成,以伽马辐射的形式释放光子。

    太阳的核聚变是怎么回事?20年后我们能用上聚变能吗?

    太阳使用这种能量的唯一原因是使用光压来抵消将所有物质向内推的引力。光子通过太阳慢慢释放到太空中,太浪费了。

    我们如何在地球上复制这个过程?

    在地球上收集太阳的氢质量是一种选择,但这有点不切实际。我们把它放在哪里?更好的解决方案是使用我们的技术来模拟太阳核心的条件。

    如果我们能够在足够高的温度和压力下建造一个聚变反应堆,以将氢原子融合成氦原子,我们就可以以伽马辐射的形式利用这些光子。

    太阳的核聚变是怎么回事?20年后我们能用上聚变能吗?

    图:托卡马克内部。拍摄:普林斯顿大学等离子体物理实验室

    为此开发的主要技术称为托卡马克反应器。这是一个俄语首字母缩略词:“带磁性线圈的环形腔”,第一个原型是在 1960 年代创建的。有许多不同的反应堆正在开发中,但方法基本相同。

    真空室充满氢燃料,然后大量的电流通过燃烧室将氢加热成等离子体状态。也可以使用激光和其他方法使等离子体温度达到 1.5 到 3 亿摄氏度(比太阳核心高 10 到 20 倍)。

    太阳的核聚变是怎么回事?20年后我们能用上聚变能吗?

    超导磁体围绕着聚变室,引导等离子体远离室壁,否则会熔化它。

    一旦温度和压力足够高,氢原子就会像在太阳中一样被压缩成氦。这会释放光子来加热等离子体,从而使反应在没有额外能量输入的情况下持续进行。

    多余的热量到达燃烧室的壁,可以提取出来做功。

    太阳的核聚变是怎么回事?20年后我们能用上聚变能吗?

    图片:库伦聚变能源中心(英国)的球形托卡马克。图片:CCFE

    挑战一直是加热燃烧室和限制等离子体所需的能量比反应器产生的能量多。我们可以让反应堆工作,但我们还不能从中提取多余的能量。

    薛定谔的方程_薛定谔提出的量子力学基本方程 建立于1926年_变分法解氢分子离子的薛定谔方程

    与其他形式的能源生产相比,聚变是清洁和安全的。燃料来源是水,副产品是氦(世界实际上开始耗尽蒸汽)。如果反应堆出现问题,它会冷却并且聚变反应停止。

    然而,聚变反应中释放的高能光子将是一个棘手的问题。它们流入周围的聚变反应堆,使整个反应堆具有放射性。聚变室的放射性将在 50 年后致命,但其快速的半衰期将使其在 500 年后与煤灰一样具有放射性。

    太阳的核聚变是怎么回事?20年后我们能用上聚变能吗?

    插图:普林斯顿托卡马克聚变试验堆(从 1982 年到 1997 年运行)的外部视图。拍摄:普林斯顿等离子体物理实验室(CC by 3.0)

    既然您知道了聚变能是什么,它是如何工作的,目前的状态是什么,以及聚变发电厂将在多长时间内(如果有的话)为我们提供无限的廉价和安全的能源?

    聚变实验是通过它们产生的能量与你投入其中的能量之比来衡量的。例如,如果一个核聚变工厂需要 100 兆瓦的电力来产生 10 兆瓦的输出,那么它的能量比将为 0.1。你至少需要一个比率 1。这意味着能量输入等于能量输出,到目前为止,还没有实验达到这个比率。但我们正在接近。

    太阳的核聚变是怎么回事?20年后我们能用上聚变能吗?

    图片说明:东方托卡马克反应堆,合肥物理科学研究所的一部分。拍摄:ipp.cas

    中国建造实验性先进的超导托卡马克,东方。2016 年,工程师报告他们已经跑了 102 秒,达到了 5000 万摄氏度的温度。如果是这样,这是一个巨大的进步,使中国在创造稳定核聚变的竞赛中处于领先地位。尽管如此,这还没有得到独立验证,他们只发表了一篇关于这一里程碑的科学论文。

    太阳的核聚变是怎么回事?20年后我们能用上聚变能吗?

    插图:卡尔斯鲁厄理工学院的 Wendellstein 7-X (W7X) 恒星仪器。拍摄:Max Planck Institut F_r Plasmaphysik、Tino Schulz(CC by-SA 3.0)

    德国卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的研究人员宣布,他们的 Wendelstein 7-X (W7X) 恒星发生器(我喜欢这个名字)将氢气加热到 8000 万摄氏度,仅需四分之一秒。温度高但时间短。恒星发电机的工作方式与托卡马克不同。它使用扭曲环和外部磁铁来限制等离子体,很高兴知道我们有更多选择

    世界上最大和最复杂的聚变实验目前正在欧洲的法国卡达拉赫研究中心进行。它被称为 ITER,即国际热核实验反应堆,它希望超越这个神奇的比例。.

    太阳的核聚变是怎么回事?20年后我们能用上聚变能吗?

    图:ITER 托卡马克聚变反应堆。拍摄:ITER,Illus。T.雷耶斯

    ITER巨大,直径30米,高30米。巨大的聚变室使其能够产生自我维持的聚变反应。熔融氢释放的能量使燃料保持足够热以维持反应。运行含有等离子体的电磁体仍然需要能量,但不能保持等离子体的温度

    如果一切顺利,ITER的比例将是10。也就是说,每注入10兆瓦的能量,就会产生100兆瓦的可用功率。

    ITER仍在建设中,截至2015年6月,总建设成本已达140亿美元。该设施预计将于 2021 年完工,第一次聚变测试将于 2025 年开始。

    因此,如果 ITER 按计划工作,我们现在距离聚变产生正能量输出还有 8 年的时间。当然,ITER 只是一个实验,而不是一个真正的动力装置,所以如果它起作用,一个真正的基于聚变的能源网将在几十年后投入使用。

    在这一点上变分法解氢分子离子的薛定谔方程,我想说我们距离证明自我维持的聚变反应可以产生比它们消耗的能量更多的能量还有大约十年的时间。再过 20 年,他们将能够为电网供电。届时,我们的太阳将需要找到一份新工作。

    参考

    1.WJ百科

    2.天文术语

    3. 薛定谔的哆啦A梦 – 今日宇宙

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