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什么是核聚變?它為什么如此難以實現?
[ 發布時間:2021-07-14 ]   [ 信息來源: 國際原子能機構 ]  [ 字號: ]

  五百年前,位于今天墨西哥的阿茲特克文明相信,太陽及其所有的力量都是由人類祭品的血液來維持的。今天,我們知道,太陽連同所有其他恒星都是由一種稱為核聚變的反應提供動力。如果核聚變能夠在地球上復制,那么它可以提供幾乎無限的清潔、安全和廉價的能源,以滿足世界的能源需求。


  那么,核聚變究竟是如何工作的?簡單地說,核聚變是兩個輕原子核結合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量的過程。核聚變反應發生在一種叫作等離子體的物質狀態中。等離子體是一種由正離子和自由移動的電子組成的高溫帶電氣體,具有不同于固體、液體和氣體的獨特性質。


  為了在我們的太陽上實現聚變,原子核需要在超過1000萬攝氏度的極高溫度下相互碰撞,以使它們能夠克服相互間的電排斥力。一旦原子核克服了這種排斥力并進入彼此非常接近的范圍,它們之間的核力吸引力將超過電排斥力,從而使它們能夠實現聚變。要做到這一點,眾多原子核必須被約束在一個小空間內,以增加碰撞的機會。在太陽中,其巨大的引力所產生的極端壓力為核聚變的發生創造了條件。


  核聚變產生的能量非常大——是核裂變反應的四倍,而且聚變反應可以成為未來聚變動力堆的基礎。各種計劃要求第一代核聚變反應堆使用氘(重氫)和氚(超重氫)的混合物。理論上,只要有幾克這些反應物,就有可能產生一太(萬億)焦耳的能量,這大約是發達國家的一個人在60年內所需要的能量。


  伸手摘星


  雖然太陽的巨大引力自然會誘發核聚變,但如果沒有這種力,就需要更高的溫度才能發生反應。在地球上,我們需要超過1億攝氏度的溫度和強大的壓力,以使氘和氚發生聚變,還需要充分的約束,使等離子體和聚變反應保持足夠長的時間,以獲得凈功率增益,即產生的聚變功率與用于加熱等離子體的功率之比率。


  雖然現在實驗中通常已實現非常接近核聚變反應堆所需的條件,但仍需要改進約束性能和等離子體的穩定性。來自世界各地的科學家和工程師繼續試驗新材料和設計新技術,以獲取聚變能。


  50多個國家在開展核聚變和等離子體物理研究,盡管沒有證實聚變凈功率增益,但許多實驗已成功實現聚變反應。復制恒星的過程需要多長時間,將取決于通過全球伙伴關系和合作來調動資源。


  協作歷史


  自20世紀30年代人們認識到核聚變以來,科學家們一直在尋求復制和利用聚變。最初,這些嘗試是保密的。然而,人們很快就發現,這種復雜而昂貴的研究只能通過協作來實現。在1958年于瑞士日內瓦舉行的第二屆“聯合國和平利用原子能國際會議”上,科學家們向世界公布了核聚變研究。


  國際原子能機構一直是國際核聚變研究的核心。國際原子能機構于1960年創辦了《核聚變》雜志,以交流有關核聚變進展的信息,現在它被認為是該領域的主要期刊。第一次“國際原子能機構聚變能國際會議”于1961年舉行,自1974年以來,國際原子能機構每兩年召開一次會議,以促進對該領域的發展和成就的討論。


  經過二十年關于國際熱核聚變實驗堆(ITER)的設計和地點的談判,這個世界上最大的國際核聚變裝置于2007年在法國建成,目的是論證核聚變能生產的科學和技術可行性。ITER協定已存放于國際原子能機構總干事處。在ITER建成之后,核聚變示范電廠(或DEMO)正在計劃演示受控核聚變可以產生凈電力。國際原子能機構主辦了多次DEMO講習班,以促進在確定和協調DEMO常規計劃活動方面的全球協作。


  預計核聚變能夠滿足人類數百萬年的能源需求。聚變燃料豐富且容易獲得:氘可以從海水中廉價提取,而氚可以利用豐富的天然鋰生產。未來的聚變反應堆不會產生高放射性、長壽命的核廢物,而且聚變反應堆幾乎不可能發生熔毀。


  重要的是,核聚變不會向大氣中排放二氧化碳或其他溫室氣體,因此,與核裂變一起,可以作為一種低碳能源在未來發揮緩解氣候變化的作用。


  (王玉薈譯)

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