35国,14年,世界最大科学项目,“人造太阳”即将诞生!


来源:新智元   时间:2020-07-31 16:43:45


新智元报道

来源:EurekAlert、BBC等

编辑:小匀

【新智元导读】7月28日,由美国、俄罗斯、欧盟(包括英国与瑞士)、中国、印度、日本、韩国35个国家合作的ITER项目正式进入了为期5年的组装阶段。ITER是目前世界上最大的核聚变项目,被媒体称为人造太阳。

核聚变伴随着巨大的能量释放,而且能提供清洁、可靠、无碳排放的能源。人类早在上世纪50年代就将其应用于氢弹。然而,与太阳相比,氢弹却是「潘多拉的魔盒」,一旦打开,就会将地球置于危险的境地。

所以,如何有效控制核聚变,让其造福人类,是各国科学家们一直寻求的方案。

小小的核,巨大的威力

在了解核聚变前,我们需要理清粒子之间的关系。

中子+质子=原子核

原子核+电子=原子

电子带负电,质子带正电,中子不带电。因此,原子核是带正电的。

核聚变,就是指两个较轻的原子核结合,形成一个较重的核和一个极轻的核。

光和热来自于太阳的核聚变。在太阳的核心处,氢原子核碰撞,融合成更重的氦原子,并释放出大量能量。

这是太阳与其他恒星的能量来源,也是维持地球生命的能量来源。

20世纪科学家发现,在实验室环境下,最有效的聚变反应是氘(D)和氚(T)之间的反应。它们分别是氢(H)的两种同位素。DT反应能在所谓“最低的温度”下产生最高的能量增益。

如果要进行核聚变反应,首先就必须提高物质的温度,使原子核和电子分开,处于这种状态的物质称为“等离子体”。

但是,都带正电的原子核们会互相排斥,所以很难接近彼此。所以,想要发生核聚变,必须保证等离子体的温度(增加发生碰撞的可能性)、密度和封闭时间(等离子体很快就会飞散开来,所以必须先将其封闭)。

在太阳里,这些情况都很好满足。那么,在实验室中,该怎么办呢?这就是托卡马克(Tokamak)的厉害之处了。

太阳能做到的,托卡马克也能

太阳利用巨大的引力使等离子体封闭,但在地球上则必须采取别的方法——磁场便是其中一种。当等离子体带电时,电荷被卷在磁力线上,因此只要制造出磁场,就能够将等离子体封闭,使它们悬浮在真空中。

上世纪50年代,苏联首次提出托卡马克的概念——磁约束聚变以来,这一直是个广泛的国际合作领域。

近几个月来,为机器组装做准备,巨大的同类零件开始运抵法国-在许多情况下,每个零件重达数百吨,长度超过15米。这些零件是世界各地工厂,大学和国家实验室超过5年的制造的结晶。

虽然,世界上已有数百个托卡马克被建造出来了,但ITER将实现的,是第一个实现自加热等离子体。

要加多热?1.5亿℃。

怎么加热?

氘和氚被注入托卡马克。所谓电能生磁。通电时,托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,加热直到它们变成等离子体。当等离子体达到1.5亿摄氏度时,即发生聚变。

原子聚变产生的能量以热的形式被容器壁吸收。就像传统的发电厂一样,聚变发电厂将利用这些热量产生蒸汽,然后通过涡轮和发电机发电。

35国合作研制,中国参与了什么?

法国总统埃马纽埃尔·马克龙和来自欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国的领导人宣布一个新的能源时代的开始,世界上最大的核聚变装置在法国南部ITER的组装正式开始。

在ITER的官网上,我们能够清晰地看到各国的分工。

在所有组件中,中国参与到环向场线圈(左上)、极向场线圈(左下)。

图为中国首批环向场线圈支撑启运

正是由于融合的巨大希望,ITER项目才诞生:35个伙伴国家是欧盟(加上英国和瑞士),中国,印度,日本,韩国,俄罗斯和美国。

这些国家/地区占世界人口的50%以上,占全球国内生产总值的80%以上,已汇集了丰富的专业知识和资源,以制造出首个工业规模的研究融合设备。

法国是东道国。与英国和瑞士组成的欧盟是东道国,提供ITER费用的45%。美国,中国,日本,俄罗斯,印度和韩国的其他每个成员国出资9%。

ITER托卡马克能提供多少能量?

核聚变的燃料存在于海水和锂中。它足够丰富,可以供给人类数百万年。一个菠萝大小的燃料相当于一万吨煤。

ITER的工厂将产生大约500兆瓦的热能。如果持续运行并与电网相连,这将转化为大约200兆瓦的电力,足以供应大约20万个家庭。

碳排放量的70%以上来自能源使用。超过80%的能源消耗来自化石燃料。核聚变发电却是是无碳的。它们不释放CO2。

法国总统马克龙说:「这显然是对未来的一种信心。历史上最伟大的进步总是源于大胆的赌注,艰难的旅程。」

ITER计划用4.5年组装完成,2025年进行第一次使用。

参考链接:

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E8%81%9A%E5%8F%98

https://www.iter.org/proj/inafewlines

https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak

http://indico.ictp.it/event/7642/session/23/contribution/105/material/slides/0.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak#ITER

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