核聚变核裂变和衰变都能释放核能


 发布时间:2020-09-25 14:16:50

NIF惯性约束聚变副主任约翰·爱德华兹表示,他们需要在一个非常可控的方式下利用激光束快速加热(点火要求在十亿分之一秒内),使目标物的最外层发生爆炸,目标物的剩余部分在强烈内爆的驱使下,内部燃料瞬间压缩,形成冲击波,进一步加热中心区域的燃料,导致可持续性燃烧,产生巨大能量。实验“几

在过去的十多年里,这些标新立异的科学家们创立研究公司不下一打,希望能找到聚变反应堆的替代设计方案。他们中有些已经报告了鼓舞人心的成果,还有些已筹到可观的投资。三阿尔法公司也已增加了1.5亿美元,投资者包括微软联合创始人保罗·艾伦、俄罗斯政府风投公司Rusnano等。但成功也让他们对未来前景更加审慎。麻省理工学院(MIT)核物理学家杰弗里·弗雷伯格说,三阿尔法公司“要扩大反应堆规模的话,还要克服一些难题”。比如,公司必须证明它能达到10亿开氏度的高温,这是燃料点火所需的温度;还必须证明他们有实际可行的方法,把反应产生的能量转化为电力。

人类还不能“控制”它!核裂变原子能除了被用作战争武器,更多的是被人类和平利用,如建造核电站发电等,但利用聚变能可没那么容易。到目前为止,虽然人类已经可以实现不可控核聚变,如氢弹爆炸,但要想有效利用它,必须能“控制”核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。这也成为人类掌握聚变核能源道路上的最大掣肘。用什么才能“控制”住核聚变反应?通俗地说,能点燃燃料,能约束聚变,能输出能量。问题来了——点火需要瞬间超高温度和压力(想想太阳内部热核反应的条件),约束聚变的“容器”只能用激光惯性约束和磁场约束(任何地球物质做的容器都承受不住超高温高压)。

三、聚裂变混合堆目前的聚变技术,包括进展得比较快的托卡马克,为了获得有益的能量输出,要求聚变产生的能量远大于为创造实现聚变的条件而消耗的能量,距离商业应用还有相当一段距离。而聚变裂变混合堆只要求聚变产生的能量与消耗的能量差不多相等就可以了,因而它对聚变的要求比纯聚变堆低些,是实现聚变能商业应用的捷径。所谓聚变裂变混合堆就是利用聚变反应产生的中子,在聚变反应室外的铀-238、钍-232包层中,生产钚-239或铀-233等核燃料,同时释放出裂变能。

据美国每日科学网近日报道,美国工程师设计出一种新型核聚变反应堆模型,当将其升级到一座大型发电厂大小时,成本比能提供同样电力产出的燃煤发电厂还低。核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题,且其原料可直接取自海水中的氘,来源几乎取之不尽,是理想的能源方式,但核聚变能目前的设计成本很高,与使用煤和天然气等化石燃料的系统相比不具成本优势,不过,最新研究的主要负责人、华盛顿大学航空航天学教授托马斯·亚伯表示:“我们最新设计出的核反应堆有望产生经济可行的核聚变能。

这项技术对于我们优化能源结构来说非常重要。”罗德隆表示。据罗德隆介绍,由于核裂变以金属铀作为燃料,目前其储存只能供世界使用100年。同时核裂变反应物质分解速度很慢,半衰期达到上万年甚至百万年,因而出现了切尔诺贝利及福岛等核辐射事件。而核聚变物质的主要来源是海水中氢的同位素,“一公升海水提取出的这种物质通过聚变反应产生的能量相当于燃烧300公斤汽油”。罗德隆表示,同时,聚变物质的半衰期只有几十年,对人类来说危害小很多。此外聚变过程中材料可自己冷却,生产的安全性也得到了保障。“如果核聚变成功的话,未来五十年将能够广泛使用。据我们测算,运用这项技术科维持人类能源消耗一千至两千亿年的时间,可以说是取之不尽、用之不竭的。”(完)。

目前,英国卡拉姆的欧洲联合环形加速器(JET)以及正在法国建设的测试反应堆的国际热核聚变实验堆(ITER)计划使用的都是磁约束核聚变装置。磁约束核聚变使用强大的电脉冲轰炸重氢来产生等离子体。在聚变发生前,科学家们需要施加一个强大的磁场,将等离子体牢牢限制住。然而,做到这一点很困难,因为等离子体很快会发生泄露或变得不稳定。现在,科学家们计划利用激光核聚变产生电力。与磁约束核聚变相比,激光核聚变产生的温度更高、压力更大,因此,核聚变发生得更快,只需要将等离子体限制几十亿分之一秒即可。

但在实践中,试图模仿一颗恒星会导致可怕的工程问题:困在磁场中的极热等离子常常会扭曲,就像一条被激怒的蛇,不顾一切地要逃出来。长期以来,聚变研究人员更喜欢托克马克装置,认为它是控制等离子体“怪兽”的最佳手段。与以前的其他装置相比,这种反应堆实现的等离子体密度、温度和禁闭时间要高得多。物理学家也对原来设计进一步精简,并改进了托克马克控制高能等离子体的方式。但从一开始,许多物理学家就想知道托克马克装置能否扩大规模,以商业化模式发电供电。

核聚变能是两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核时释放的能量,聚变的主要燃料是氢的同位素——氘和氚。太阳发光发热的原理正是核聚变反应。中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆说,太阳的中心温度极高,气压达到3000多亿个大气压,在这样的高温高压条件下,氢原子的两个“同胞兄弟”——氘和氚聚变成氦原子核,并放出大量能量。“太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置,几十亿年向外辐射能量。”不过,由于聚变能量实在太大,人类要加以利用,就必须对它进行控制,这也是科学家一直努力的目标。

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