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托卡马克装置内部为何热过太阳

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中核集团核工业西南物理研究院的工作人员在安装调试中国环流器二号M装置时进行环向场线圈外弧段吊装工作新华社发(中核集团核工业西南物理研究院提供)

核能核电系列报道②

在地球上开展的一些可控核聚变研究的等离子体密度只有太阳芯部密度的约千亿分之一,因此必须将等离子体加热到上亿摄氏度高温,才能使聚变反应的发生几率获得较大提升,以便利用少量的聚变燃料就能产生足够多的聚变能量。

3月15日,ITER(国际热核聚变实验堆)中国氦冷固态实验包层系统首个项目在中核集团核工业西南物理研究院启动,标志着我国在ITER上开展产氚技术测试进入具体实施阶段。在之前不久,由江西省科研人员自主设计、制造及运行的“人造太阳”实验研究装置——我国首个可实现压缩融合启动等离子体电流的球形托卡马克装置(NCST)正式投入运行并实现首次成功放电。

江西省聚变能与信息控制重点实验室博士钱玉忠介绍,球形托卡马克装置内部安装有两个上下对称的极向场线圈,是我国首个可利用压缩融合方式启动等离子体电流的球形托卡马克装置。江西省将围绕球形托卡马克装置模拟太空辐照环境的特性,积极开展交叉应用研究。

托卡马克是什么原理,为什么能够释放巨大能量?随着托卡马克核聚变装置研究频频传来喜讯,我们距离彻底掌握可控核聚变的奥秘还有多远?

实现可控核聚变克服库仑排斥力是关键

正如我们已经了解的,核能的释放通常依托核聚变和核裂变两种方式进行。

核裂变是将较重的原子核分裂为较轻的原子核并释放能量。二十世纪五十年代初,苏联建成了世界上首座核电站,成功实现了基于核裂变的核能和平利用。

核聚变是将较轻的原子核聚合反应而生成较重的原子核。这个过程伴随着质量损失,根据爱因斯坦质能方程E=mc2,损失的这部分质量会转换成巨大的能量。以目前地球上最容易实现的氘氚聚变反应为例,每公升海水可提取的氘(约0.03克)通过聚变反应可释放出相当于燃烧300公升汽油产生的能量。

然而,由于原子核间均带有正电荷,其相互间受库仑排斥力作用,原子核间距离越近,这种排斥力就越强。只有当相向运动的两个较轻原子核具有足够高的能量时,才能克服库仑排斥力,使得彼此靠得足够近,以便让短程核间吸引力发挥主要作用,最终聚合为一个较重的原子核,并释放出高能量的中子。

相较于核裂变,在地球上要实现核聚变反应,条件非常苛刻。首先要达到上亿摄氏度高温;还要让燃料维持足够高的密度,以提高原子核之间碰撞并发生核聚变反应的几率;此外原子核的密度,高温高密度条件必须维持足够长的时间,才能让核聚变反应得以持续进行。

通过磁约束核聚变释放巨大能量

作为地球生命赖以生存的能量来源,太阳内部随时在进行核聚变。在这一反应过程中,其中心温度只有1500万摄氏度左右。然而在实验室实现可控核聚变,温度却需要达到1亿摄氏度以上。二者为何会有这么大的差异?

中核集团核工业西南物理研究院院长段旭如解释说,太阳的巨大质量(约为地球的33万倍)导致其具有强大的引力,太阳正是靠这种强大引力约束高温的燃料离子,来实现核聚变反应。

此外,虽然太阳芯部的温度只有1500万摄氏度左右,离子通过碰撞发生聚变反应的几率比1亿摄氏度条件下聚变反应的几率要低得多,理论上在太阳内部单位质量的燃料发生聚变的反应率极低,平均1吨太阳物质只能产生瓦量级的功率。但因为太阳质量非常大,即便发生聚变反应是小概率事件,总体上太阳内部产生的核聚变反应及能量仍非常可观。

目前原子核的密度,在地球上开展的一些可控核聚变研究的等离子体密度只有太阳芯部密度的约千亿分之一,因此必须将等离子体加热到上亿摄氏度高温,才能使聚变反应的发生几率获得较大提升,以便利用少量的聚变燃料就能产生足够多的聚变能量。

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