ITER

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时间:2017-02-11 16:01:31

摘要:简介:“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性,科学家预计人类最终将在2050年真正实现核聚变发电。基 ...

简介:“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性,科学家预计人类最终将在2050年真正实现核聚变发电。

基于能源长远的基本需求,2006年,中国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定,覆盖的人口接近全球一半。目前,核聚变反应堆正处于试验阶段,世界各个国家及地区的多个实验室都开展了这项研究。本条科技热词将介绍关于核聚变的知识,并了解关于ITER反应堆的工作原理。

 

中国自行研制的全超导托卡马克EAST核聚变实验装置(俗称“人造太阳”)

能量从哪儿来

太阳通过内部的核聚变不断辐射热量和能量,计算表明,太阳系还能存在45亿年,每年太阳提供的能量是世界人口商品消费量的1.5万倍。在高压高温情况下,太阳从里到表都在发生聚变反应,正是因为这些聚变反应释放出大量能量,使太阳上亿年源源不断发出光和热。但问题是,太阳上的聚变反应是不可控的,就像在地球上看到的氢弹爆炸,巨大的能量在一瞬间释放出来,只能起到毁灭性的破坏作用。

目前,人类已经可以实现不受控制的核聚变。上世纪50年代起,人类开始研究核聚变,研制成功氢弹。但是要想能量可被人类有效利用,必须能够合理的控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出;而触发核聚变反应必须消耗约1亿度的能量。

一些发达国家纷纷兴建“托卡马克”装置——构造一个形如中空面包圈的环形磁容器,利用强磁场约束带电粒子,将聚变原料加热到上亿摄氏度高温,实现聚变反应。通过这种装置来实现受控热核聚变反应,就相当于人类为自己制造一个或数个小太阳,源源不断从核聚变中得到能量。

 

能量无穷大

如果说重原子核在中子打击下分裂放出的“裂变能”是当今原子能电站及原子弹能量的来源,则两个氢原子核聚合反应放出“核聚变能”就是宇宙间所有恒星(包括太阳)释放光和热及氢弹的能源。

我国是一个能源大国,在本世纪内每年的能耗都将是数十亿吨标煤。由于条件限制,在长时间内我国能源生产都将以煤为主,所占比例高达70%。考虑到我国社会经济的长期可持续发展,我们必须尽快用可靠的非化石能源(如核裂变或核聚变能、太阳能、水能等)来取代大部分煤或石油的消耗。

面对人类能源危机,人们将希望的目光寄托在可控热核聚变上。与不可再生能源和常规清洁能源不同,聚变能资源无限,核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射,不产生核废料,当然也不产生温室气体,基本不污染环境,是人类未来能源的主导形式之一,也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。

核聚变反应主要借助氢同位素。氢原子最容易实现的聚变反应是其同位素氘与氚的聚变。氘和氚聚变后,2个原子核结合成1个氦原子核,并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。每1升海水中含30毫克氘,30毫克氘聚变产生的能量相当于燃烧300升汽油。

 

核聚变原理

氘、氚混合气体产生大量核聚变反应,温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下,气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开,各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为“等离子体”。

难点1实现“受控热核聚变”首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体,使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是,超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束,使之不飞散的,因此必须寻求某种途径,防止高温等离子体逃逸或飞散。“磁约束”这一技术——用磁场把氘和氚原子核局限在一个小区域,以保证足够的密度互相碰撞。

难点2对不同设计出的“磁笼”中等离子体运动行为及防止逃逸的稳定性研究,成为实现受控热核聚变的第二个难点。如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行,上亿度的高温必须能长时间维持。或者可以说,等离子体的能量损失率必须比较小。

难点3提高磁笼约束等离子体能量的能力,这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除此之外,建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。

 

核聚变反应原理示意图

 

核聚变反应堆:磁约束

有两种方法可实现发生氢聚变所需的温度和压力,一是磁约束,使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体,而ITER技术就是这种方法;二是惯性约束,使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。磁约束的工作原理及示意图如下:

加速器释放出微波、带电粒子束和中性粒子束,用于加热氢气的气流。在高温下,氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压,进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时,最有效的磁体形状是面包圈形(即环形)。

采用这种形状的反应堆称为托卡马克(Tokamak)。ITER Tokamak是一个独立式反应堆,其部件都装在不同的盒子中。进行维护时,工作人员可以方便地插入和拔出这些盒子,而不必拆开整个反应堆。

 

 

 

磁约束核聚变过程作用机制 

 

核聚变发电离现实有多远

大部分磁约束实验装置,包括EAST,都属于托卡马克类型。EAST是近年比较成功的一个磁约束聚变实验装置,可以将等离子体状态持续比较长的时间。实际上,制造出稳定的、可以放心的聚变等离子体,超出科学技术的现有能力,稳定运行的等离子体有可能很快崩溃,而且找不到任何原因。

20世纪90年代,在欧洲、日本、美国的几个大型托克马克装置上,聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。可以说,聚变能的科学可行性已基本得到论证。

既然科学发展如此迅速,那么我们究竟还需要多久才能使核聚变发电投入使用?世界的科学家们都在寻找答案。根据同ITER组织达成的协议,中国承担了ITER装置近8%的采购包。包括包层壁、线圈导体等12个采购包任务。

ITER将在2019年开始第一次点火。届时,它将尝试把“Q”提到10,这是前所未有的一个高指标。Q就是核聚变实验器的能量“产出投入比”,越高,机器投入实用就越有希望。除了磁约束外,人们也在摸索用别的方式利用核聚变能,比如美国的“国家点火”装置,使用多道激光,将聚变物质压缩到高温高压态,也是一条探索的路径。

 

中国可控核聚变发展历程

1998年,我国将研制全超导核聚变实验装置研究项目列为“九五”期间6大科学工程之一,加紧在合肥部署和研制。

1991年,我国开展了超导托克马克发展计划(ASIPP),探索解决托克马克稳态运行问题。1994年建成并运行了世界上同类装置中第二大的HT-7装置。

2006年,中国科学家率先建成了世界上第一个全超导核聚变“人造太阳”实验装置(EAST),模拟太阳产生能量。

从2006年9月28日起的第一轮放电,到2007年1月15日起的第二轮放电,我国新一代“人造太阳”——全超导非圆截面核聚变实验装置(EAST)。

2006年11月21日,国际热核聚变实验反应堆计划(ITER)终于尘埃落定,正式启动。这一举世瞩目的反应堆将建设10年。作为参与国家之一,中国将承担10%的责任。科学家预计要到2050年左右,才能真正实现核聚变发电。

2007年8月30日,十届全国人大常委会第二十九次会议正式审议通过《联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的协定》

 

国际ITER计划大事记

1985年,作为结束冷战的标志性行动之一,前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议,由美、苏、欧、日共同启动“国际热核聚变实验堆(ITER)”计划。1990年,完成了ITER概念设计(CDA)。

1998年,美国出于政治原因及国内纷争,以加强基础研究为名,宣布退出ITER计划。欧、日、俄三方则继续坚持合作,并基于上世纪90年代核聚变研究及其他高新技术的新发展,大幅度修改实验堆的设计。

2001年,欧、日、俄联合工作组完成了ITER装置新的工程设计(EDA)及主要部件的研制。

2002年,欧、日、俄三方以EDA为基础开始协商ITER计划的国际协议及相应国际组织的建立。

中国于2003年1月初正式宣布参加协商,其后美国在1月末由布什总统特别宣布重新参加ITER计划,韩国在2005年被接受参加ITER计划协商。2005年6月,六方签订协议,一致同意把ITER建在法国核技术研究中心Cadarache,从而结束了激烈的"选址大战"。印度于2006年加入ITER协商。最终,七个成员国政府于2006年5月25日草签了建设ITER的国际协定。

 

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