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核聚变取得重要进展
杨宁
人类在通往获取几乎取之不尽, 用之不竭的清洁能源道路上又取得了重要进展,近日美国麻省理工学院的工程师和科学家们在等离子体压力值指标上实现了创纪录的压力值,从而将受控核聚变技术朝着实用化的方向又推进了一步.等离子体压力值是受控核聚变技术中的核心指标之一.尽管目前人类距离将核聚变技术,用于发电并满足生产、生活用电需求仍然还很遥远,但工程师们已经通过不断的努力和严谨的实验,证明了受控核聚变是有可能实现的.很多专家将核聚变视为是人类未来清洁能源的重要来源,这也是恒星能量的来源.托卡马克装置利用极高温度,强大磁场和压力环境,使较轻元素的原子核结合成质量更大的元素,并在这一过程中释放出巨大的能量.近日,研究组在日本京都召开的国际原子能机构核聚变会议上报告了该项研究进展的消息.
工程师们通过模仿恒星内部产生热能的过程,将氢原子这种元素放置在一个经过特殊设计的反应容器内进行,从而让其发生核聚变并产生氦原子,与此同时,人们希望能够采集到在此过程中产生的巨大能量,用于清洁能源,而这一前景将有望让人类最终摆脱对于化石燃料的依赖.为了让核聚变反应能够发生,容器内的超高温气体——严格来说是等离子体必须被施加巨大压力,这将强迫氢原子之间互相靠近并最终诱发核聚变反映.近期,工程师们在美国麻省理工学院等离子体科学与聚变中心的Alcator-CMod托卡马克核聚变研究装置内实现了这一新纪录,该装置借助极其强大的磁场来实现对高温等离子体的约束.研究人员在实验中成功让实验压力达到了2.05 个大气压,大致相当于地球上海面下10 米深处的水压强度,比此前的记录提升了15%,而实验期间容器内的温度则超过了3500 万摄氏度,几乎超过了太阳核心温度的两倍.根据《麻省理工新闻》报道,在反应容器内的每立方米空间体积内,每秒钟都会发生上百万亿次核聚变反应.美国普林斯顿大学等离子体物理实验室前任副主管戴尔·美德指出：“这是一项了不起的成就.这一创纪录的等离子体压力数值表明,强磁场约束技术有可能将是未来人类最终实现实用核聚变产能技术的一种有吸引力的方式.”
除了等离子体压力方面的技术挑战之外,实用核聚变技术还面临着在产生反应时,本身也需要消耗巨大能量的难题.在促进磁约束条件下核聚变反应的发生时,需要耗费数以百万计的电力,这样的能量消耗远远超过了当前核聚变实验本身能够产生的能量,而要使核聚变发电能产生经济效应,其电能产出必须极大地超过其发电过程时的电力消耗,否则将是不可接受的.
除了美国之外,世界上其他国家的科学家和工程师们也正全力以赴朝着可控核聚变的目标前行,比如正在法国建造中的国际核聚变装置就是其中之一,这一由多个国家共同建造的世界最大规模的托卡马克装置将是麻省理工装置规模的800 倍以上,科学家们希望该项目能将大大推进这一领域的技术发展.按照设计,在建成投运后,该装置压力将能够达到2.6 倍大气压并实现1.5亿摄氏度的高温.
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