核聚变的重大突破使我们离“无限”能量更近了一步

清洁能源能量核能可持续性

九月16th,2021

创造具有几乎无限容量、安全、经济和环保的可持续能源。 科学家们目前正在努力建造一个聚变反应堆,它可以产生比消耗更多的能量。 这似乎是可能的。

 

By 格雷格·德·泰默曼

Mines ParisTech-PSL 的副研究员。 巴黎科技矿业公司 Zenon Research 董事总经理


 

劳伦斯利弗莫尔国家实验室 已公布 核聚变的重大突破,使用强大的激光产生 1.3 兆焦耳的能量——大约是 3 公斤原油所含能量的 1%。

 

长期以来,核聚变一直被认为是未来的能源——一种不依赖于燃烧碳的“无限”能源。 但经过数十年的研究,它尚未兑现其令人兴奋的承诺。

 

这一新突破距离我们想要的结果还有多远? 以下是对这一新科学进步的简要概述。

 

什么是核聚变?

 

有两种使用核能的方式:裂变(目前用于核电站)和聚变。

 

在裂变中,重铀原子被分解成更小的原子以释放能量。 核聚变是相反的过程:轻原子转化为较重的原子以释放能量,这与太阳等离子体核心中发生的过程相同。

 

聚变反应堆会放大功率:触发的反应必须产生比加热燃料等离子体所需的能量更多的能量,以产生能量——这被称为点火。 还没有人做到这一点。 目前的记录是在 1997 年由英国的欧洲联合环网实现的,其中 产生了 16 兆瓦的电力 通过磁聚变,但需要 23 兆瓦才能触发它。

 

美国圣地亚哥 DIII-D 托卡马克核聚变室内。 Rswilcox, CC BY-SA
美国圣地亚哥 DIII-D 托卡马克核聚变室内。 Rswilcox, CC BY-SA

 

实现核聚变有两种可能的方法:磁约束,它使用强大的磁铁在很长一段时间内约束等离子体;惯性约束,它使用非常强大和短暂的激光脉冲来压缩燃料并启动聚变反应。

 

从历史上看,磁聚变一直受到青睐,因为惯性聚变所需的技术,尤其是激光,不可用。 惯性聚变还需要更高的增益来补偿激光器消耗的能量。

 

惯性约束

 

两个最大的惯​​性项目是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施和 激光百万焦耳 在法国,其应用主要是军事领域,并由国防项目资助。 这两个设施都出于研究目的模拟核爆炸,尽管国家点火设施也进行能源研究。

 

国家点火装置使用 192 束激光束,在持续几纳秒的时间内产生总共 1.9 兆焦耳的能量以触发聚变反应。 燃料被放置在一个几毫米宽的金属胶囊内,当被激光加热时,它会发出 X 射线,加热并压缩燃料。

 

正是这个过程在 8 年 2021 月 1.3 日实现了具有里程碑意义的 XNUMX 兆焦耳的能量产生,这是惯性方法有史以来记录的最高值:也就是说,我们最接近点火。

 

0.7 的总增益等于 1997 年联合欧洲环面使用磁约束取得的记录,但在这种情况下,燃料吸收了 0.25 兆焦耳的能量并产生了 1.3 兆焦耳:因此,聚变产生了大部分所需的热量。反应,接近着火点。

 

尽管如此,反应堆必须获得更高的收益(超过 100)才能在经济上具有吸引力。

 

磁禁闭

 

磁约束方法有望获得更好的发展前景,因此是迄今为止能源生产的首选途径。

 

绝大多数研究集中在 托卡马克, 聚变反应堆于 1960 年代在苏联发明,在那里等离子体被强磁场限制。

 

国际热核实验堆法国南部正在建设的示范反应堆涉及 35 个国家,使用托卡马克配置。 它将成为世界上最大的聚变反应堆,旨在证明增益为 10——等离子体将被加热 50 兆瓦的功率,并应产生 500 兆瓦的功率。 现在正式预计第一个等离子体将在 2025 年底出现,预计在 2030 年代后期进行聚变演示。

 

英国最近启动了STEP项目(用于发电的球形托卡马克),其目的是在 2040 年代开发连接到能源网的反应堆。 中国也在追求 雄心勃勃的计划 在 2040 年代生产氚同位素和电力。 最后,欧洲计划开设另一个 托卡马克演示器 演示,在 2050 年代。

 

另一种称为仿星器的配置,如德国的 温德尔斯坦-7X,显示出非常好的效果。 尽管仿星器的性能低于托卡马克所能达到的性能,但其固有的稳定性和有希望的近期结果使其成为一个重要的替代方案。

 

融合的未来

 

与此同时,私人核聚变项目近年来蓬勃发展。 他们中的大多数人设想了未来 20 到 XNUMX 年的聚变反应,并共同吸引了 2亿美元的资金 超越传统的开发部门。

 

与风能、太阳能和核裂变相比,两种不同的核聚变部署方案。 照片来源:G De Temmerman、D Chuard、J-B。 Zenon Research 的 Rudelle(作者提供)

 

虽然这些举措使用其他创新技术来实现聚变,因此可以很好地快速交付运行中的反应堆,但在世界各地部署一组反应堆肯定需要时间。

 

如果发展遵循这一加速轨道,到 1 年,核聚变可能占全球能源需求的 2060% 左右。

 

因此,尽管这一新突破令人兴奋,但值得牢记的是,聚变最早将成为本世纪下半叶的能源。

 

本文最初由澳大利亚对话,26 年 2021 月 XNUMX 日发表,现已按照 知识共享署名-非商业性-无衍生品4.0国际公共许可证。 您可以阅读原始文章 点击此处 它最初发表于 法语。 本文表达的观点仅是作者的观点,而不是WorldRef的观点。


 

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