人類核聚變?nèi)〉猛黄菩赃M(jìn)展:什么是核聚變?為什么如此重要?
新浪科技訊 北京時(shí)間12月14日上午消息,據(jù)報(bào)道,當(dāng)?shù)貢r(shí)間周二,美國能源部(DOE)宣布,研究人員在核聚變方面取得歷史性的突破,首次從一個(gè)實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆中實(shí)現(xiàn)了“凈能量增益”,這讓許多人對未來生成更多的清潔能源充滿了希望。
(資料圖)
這一突破是由美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)“國家點(diǎn)火裝置”(NIF)研究人員在12月5日取得的。對許多人來說,核聚變可能是一個(gè)新概念,但自20世紀(jì)40年代以來,科學(xué)家們就一直在研究它。但是,研究人員卻面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):如何生產(chǎn)出更多的能量(高于所消耗的能量),這幾乎是一個(gè)不可逾越的挑戰(zhàn),直至今日。
這一次,研究人員向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量,最終產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出,即產(chǎn)生的能量較輸入的能量高出50%多。這也是研究人員首次在實(shí)驗(yàn)中取得有意義的能量增長。
什么是核聚變呢?
核聚變就是兩種較輕的元素結(jié)合在一起,形成較重的元素的過程。這與太陽提供能量的方式相同,即氫原子的質(zhì)子在核心以令人難以置信的高溫猛烈碰撞,融合在一起產(chǎn)生氦原子。
在地球上,核聚變是通過融合元素氘(重氫)和氚(超重氫)來實(shí)現(xiàn)的。氘的含量非常豐富,可以在水中找到,尤其是海洋中。而氚的含量較低,主要存在于我們的大氣中,是宇宙輻射的結(jié)果。此外,氚也可以在核爆炸中產(chǎn)生,是核反應(yīng)堆的副產(chǎn)品。
太陽的巨大引力使它能夠聚變氫原子,但要在地球上創(chuàng)造聚變,科學(xué)家需要施加大約1億攝氏度的極高壓力和溫度,即比太陽核心溫度高10倍。
雖然有不同的方法來嘗試產(chǎn)生核聚變,但勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)“國家點(diǎn)火裝置”(NIF)的研究人員使用了192束激光,聚焦在一個(gè)圓柱體的內(nèi)壁上,該圓柱體內(nèi)有一個(gè)非常小的“膠囊”裝置,里面裝著聚變?nèi)剂希弘碗?。?dāng)激光射向目標(biāo)時(shí),它們會(huì)產(chǎn)生X射線,然后擠壓燃料,在極短的時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)“膠囊”裝置,所產(chǎn)生的沖擊波會(huì)粉碎氫原子,使它們?nèi)诤喜⑨尫拍芰俊?/p>
雖然此次產(chǎn)生的能量很小,大約3兆焦耳(足夠給一個(gè)燈泡供電),但它標(biāo)志著核聚變能源的歷史性首次,因?yàn)榧す庵话l(fā)射了略高于2兆焦耳的能量,即產(chǎn)生的能量,較輸入的能量高出50%多。
它與現(xiàn)有核能有什么不同?
談及核能,許多人可能會(huì)想到我們今天擁有的核反應(yīng)堆。但不同的是,這些反應(yīng)堆使用的是“核裂變”。
裂變與聚變正好相反,聚變迫使原子聚集在一起,而核反應(yīng)堆(裂變)通過分離重原子來產(chǎn)生能量。
核聚變還能產(chǎn)生清潔能源。與核反應(yīng)堆不同,這一過程不會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品,如核電廠中發(fā)現(xiàn)的乏燃料棒(spent rod)。
另外,與裂變不同,核聚變不會(huì)發(fā)生核熔毀現(xiàn)象,也不能用來制造核武器。
國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)還解釋說,雖然氫彈確實(shí)使用聚變反應(yīng),但需要第二顆裂變炸彈來引爆它。
為什么說核聚變很重要?
當(dāng)前,地球正面臨著幾個(gè)世紀(jì)以來燃燒化石燃料造成的氣候危機(jī)。其結(jié)果是,洪水、干旱、海平面上升等現(xiàn)象將會(huì)加劇。我們已經(jīng)看到這種情況正在發(fā)生,地球變得越暖,這些災(zāi)難就會(huì)變得越嚴(yán)重。
如今,地球已經(jīng)變暖了大約1.2攝氏度。根據(jù)2015年《巴黎氣候協(xié)議》設(shè)定的目標(biāo),我們要在本世紀(jì)末將其控制在1.5攝氏度以內(nèi),這樣才能使與氣候相關(guān)的災(zāi)難減少。因此,科學(xué)家和工程師一直在努力開發(fā)具有成本效益的清潔能源。
這就是核聚變的用武之地。它不會(huì)產(chǎn)生有害的二氧化碳或甲烷,而且效率很高。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的說法,聚變每公斤燃料產(chǎn)生的能量是裂變的四倍,是燃燒石油或煤炭的近400萬倍。
美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆(Jennifer Granholm)周二在一份聲明中表示:“這是一項(xiàng)里程碑式的成就,讓我們更接近于擁有豐富的零碳聚變能源,從而幫助人們解決人類最復(fù)雜和最緊迫的一些問題,包括提供清潔能源來應(yīng)對氣候變化?!?/p>
何時(shí)才能用聚變作為能源呢?
雖然這是歷史性的第一次,但這并不意味著我們已經(jīng)準(zhǔn)備好大規(guī)模生產(chǎn)能源。
勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)負(fù)責(zé)人金·布迪爾(Kim Budil)稱,這一成就是人類有史以來解決的最重大的科學(xué)挑戰(zhàn)之一。但是,到目前為止,無論是在科學(xué)上,還是技術(shù)方面,都存在著不小的障礙。
布迪爾說:“這只是一次實(shí)驗(yàn)成果,要實(shí)現(xiàn)商業(yè)聚變能源,必須要持續(xù)產(chǎn)生這樣的結(jié)果,必須要有一個(gè)強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?!?。她還補(bǔ)充說,盡管不需要一些科學(xué)家之前預(yù)期的那么長的時(shí)間,但至少需要幾十年的時(shí)間才能開發(fā)出足夠的基礎(chǔ)技術(shù)來建造一座核聚變電站。
除了美國,還有其他一些國家在研究核聚變。在法國,有一個(gè)多方合作的國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER),這是一個(gè)重2.3萬噸、高近30米的大型核聚變反應(yīng)堆,計(jì)劃在大約10年后開始運(yùn)營。
在加拿大,General Fusion等私營公司也在研究相關(guān)技術(shù)。此外,中國、英國和德國的一些民營企業(yè)在致力于聚變方面的研究。
關(guān)鍵詞: 研究人員 核反應(yīng)堆 國家實(shí)驗(yàn)室
責(zé)任編輯:hnmd004
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