所谓核聚变,是指两个较轻原子核合成较重原子核释放出巨大能量的过程,这个过程几乎不会污染环境,是人类追求的理想能源模式。
氢弹爆炸
核聚变人类早就掌握了,但是掌握的是不可控核聚变,只能直接爆炸。如果需要将这些巨大能源利用起来,那就要实现可控核聚变,也就是要控制核聚变反应过程,实现能量的平稳输出。
可控核聚变是国际上的难题,虽然攻关多年,但是一直未能实现,业界有一句自嘲的话:实现可控核聚变永远是还要50年!
今年2月9日,英国牛津的欧共体联合聚变中心(JET)宣布在5秒内实现了59兆焦耳能量的输出,打破自己在1997年保持的21.7兆焦耳能量的输出纪录。
JET内部
对于能量这个数值,可能很多人没能直观地理解,我们换算一下。5秒内产生了59兆焦耳能量,也就是每秒平均产生11.8兆焦耳能量,大约相当于每秒产生3.3度电,一小时可以生产接近1.2万度电,足够供应数万个家庭使用。
虽然说目前等离子体稳定时间只有5秒,但对于核反应的时间尺度来说,这已经是一个漫长的时间,未来实现5分钟、5小时乃至更长时间的稳定,已经不再遥远!
托卡马克装置构造
本次JET实验成功无疑是里程碑性的,它的成功为即将竣工ITER带来了铺平了路。JET首席执行官Ian Chapman教授称:幸好实验成功了,否则我们就要对ITER前景担忧。
JET是目前世界最大的可运作托卡马克装置,也是世界最大核聚变能量输出保持者,与我国东方超环(EAST)相比,哪个更强呢?
EAST
我国EAST和JET都属于托卡马克装置,都是通过磁约束来实现受控核聚变的环形容器,但是它们双方侧重点不同,不宜直接比较。
EAST总体上具有世界领先水平,采用和ITER类似的加热方式和偏滤器结构,是全球唯一能在百秒量级条件上全面演示和验证 ITER的科学研究实验装置。
2021年度,我国EAST先后实现了1.2亿度下运行101秒,以及在7000万度下稳定运行1056秒的世界纪录。
EAST控制大厅
JET则是世界上唯一一个能够实现“氘氚聚变”反应的实验装置,保持着核聚变最大能量输出纪录。EAST更偏向于磁约束实验,并不能实现核聚变反应,这是因为在EAST运行过程中,等离子体内只有D核素(氘),没有T核素(氚)。
EAST实验的意义主要在于研究如何长时间稳定地约束等离子体,以便为我国参与的ITER项目及CFETR提供实验支持,维持聚变反应、解决材料辐照问题、能量转换、T滞留问题等都不是它的研究重点。
ITER项目
自从2003年我国宣布加入ITER以来,我国核聚变发展突飞猛进,虽然目前和发达国家还有一定距离,但是我国有自己的特点。特别是世界先进水平的EAST建成以后,取得了不少科研成果,为世界可控核聚变发展做出了巨大贡献。
除了EAST外,我国还在筹建独立自主的CFETR,它的尺寸相当于ITER的85%,将采用大约70%的ITER技术积累。虽然规模要小于ITER,但是将可以弥补ITER短时间、氚不能自持、不能发电的缺点。
人类实现核聚变发电的路径
相比较正值壮年的EAST,1983年就投入运行的JET装置已经老矣。JET运营负责人表示将在2023年之前关闭JET,不过在此之前,还会再进行一次试验,希望它能再次带来突破。
随着近几年可控核聚变不断取得突破,人类距离取得这种新型能源已经越来越近,有消息称,最快2030年可控核聚变将可以用于商业发电,人类未来可期!