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核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出能量的过程。
自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变,这种反应在太阳上已经持续了50亿年。
可控核聚变俗称人造太阳,因为太阳的原理就是核聚变反应。
核聚变反应主要借助氢同位素,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。
人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置,可以有效控制“氢弹爆炸”的过程,让能量持续稳定的输出。
核能包括裂变能和聚变能两种主要形式。
裂变能是重金属元素的原子通过裂变而释放的巨大能量,已经实现商用化。
因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少,而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料,这些因素限制了裂变能的发展。
另一种核能形式是目前尚未实现商用化的聚变能。
地球上的能量,无论是以矿石燃料,风力,水力还是动植物的形式储存起来的,最终的来源都是太阳。
矿石燃料是由千百万年前的动植物演变而来的,而动植物无论是今天的还是以前的的能量最终是要来源于食物链底端的植物的光合作用所储存的太阳能。
风的起因是由于太阳对大气的加热造成的冷热不均。
水力的势能一样要靠太阳的加热使处于低平位置的水体蒸发,上升,再以降水形式被“搬运”到较高位置,从而形成势能。
因此,无论人类利用这其中哪一种能源,归根结底都是在利用太阳能,而太阳的能量则是来源于核聚变。
所以,人类如果掌握了有序地释放核聚变的能量的办法,就等于掌握了太阳的能量来源,就等于掌握了无穷无尽的矿石燃料,风力和水力能源。
一些人鼓吹的现代工业将因为没有能量来源而走向灭亡的观点也就破产了。
因此,可控核聚变反应堆当之无愧地被称作“人造太阳”。
我国在可控核聚变技术方面处于世界领先地位,即将开始运行的east反应堆是世界上第一个达到实用工程标准的反应堆,如果能够成功运行,那么,可控核聚变的商业发电的时日就不远了。
名词:托卡马克装置
托卡马克装置是可控核聚变的核心装置。
可控核聚变最大的难点在于,核聚变时高达上亿摄氏度的反应体放在哪里
迄今为止,人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构,更不要说上亿摄氏度了。
这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了50年后,人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。
人类是很聪明的,不能用化学结构的方法解决问题,我们就用物理的试验一下。
早在50年前,两种约束高温反应体的理论就产生了。
一种是惯性约束,这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内,然后从外面均匀射入激光束或粒子束,球面内层因而向内挤压。
球内气体受到挤压,压力升高,温度也急剧升高,当温度达到需要的点火温度时,球内气体发生爆炸,产生大量热能。
这样的爆炸每秒钟发生三四次,并持续不断地进行下去,释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。
另一种就是磁力约束,由于原子核是带正电的,那么磁场只要足够强大,你就跑不出去。
建立一个环形的磁场,那么原子核就只能沿着磁力线的方向,沿着螺旋形运动,跑不出发生反应的范围。
而在环形磁场之外的一点距离,还可以建立一个大型的换热装置此时反应体的能量只能以热辐射的方式传到换热体。
然后再使用人类已经很熟悉的方法,把热能转换成电能就是了。
为实现磁力约束,需要一个能产生足够强的环形磁场的装置,这种装置就被称作“托克马克装置”tokaak。
也就是俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”的字头组成的缩写。
早在1954年,在原苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。
貌似很顺利吧
其实不然,要想能够投入实际使用,必须使得输入装置的能量远远小于输出的能量才行,我们称作能量增益因子q值。
当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西,搞了十几年,也没有得到能量输出。
直到1970年,前苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一次获得了实际的能量输出。
不过要用当时最高级设备才能测出来,q值大约是10亿分之一。
别小看这个十亿分之一,这使得全世界看到了希望,于是全世界都在这种激励下大干快上,纷纷建设起自己的大型托卡马克装置。
什么是“超托卡马克装置”呢
托卡马克装置的核心就是磁场,要产生磁场就要用线圈,就要通电,有线圈就有导线,有导线就有电阻。
托卡马克装置越接近实用就要越强的磁场,就要给导线通过越大的电流。
这个时候,导线里的电阻就出现了,电阻使得线圈的效率降低,同时限制通过大的电流,不能产生足够的磁场。
托卡马克貌似走到了尽头。
幸好,超导技术的发展使得托卡马克峰回路转,只要把线圈做成超导体,理论上就可以解决大电流和损耗的问题。
于是,使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了,这就是超托卡马克。