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托卡马克、仿星器、基于激光的概念和其他概念:核聚变装置的全球视角

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反场箍缩磁约束聚变实验装置(KTX,简称“科大一环”)是位于中国科学技术大学的一个中型核聚变装置(照片来源:国际热核实验堆)

自20世纪50年代进行首次实验以来,在地球上复制核聚变这一恒星动力源一直是一个巨大挑战。当今,科学家和工程师继续新的探索,以使这种几乎无限的能源更接近实际应用。多年来,已设计和建造各种实验聚变装置,包括托卡马克、仿星器和基于激光的技术,以推动实现聚变能前景,有朝一日彻底改变我们的能源生产方式。

全球目前有超过130个公共和私人实验聚变装置在运行、建造或计划建造中,它们采取产生聚变反应的不同方案,设计多种多样。为了审视所有这些装置,原子能机构发布了一份新报告2022年世界聚变装置概览》,其中涵盖包括中国在内的世界各地的聚变装置。

该报告进一步阐述了原子能机构名为“聚变装置信息系统”在线数据库上的可用信息。

“聚变能一旦实现,将使每个国家受益,并与核能和其他形式的可持续能源形成合力,支持减缓气候变化,促进能源结构。”原子能机构核等离子体聚变专家Matteo Barbarino说,“聚变能几乎可以惠及每个国家,这就是它如此重要的原因之一。”

“在世界各地,研究人员和工程师正在探索不同的聚变装置设计,以推动进展,”他继续说,“而我们这份新出版物从这些装置能力的角度全面概述了聚变研究和发展活动。”

核聚变是原子核结合形成重原子核并释放大量能量的过程。然而,在实际环境中实现持续和受控聚变反应伴随着若干科学和技术挑战。为使这种反应持续下去,必须把燃料(通常是氢同位素)约束和保持在高压和比太阳核心热几倍的极高温度下。

仍需取得相当大的进展。30多个国家已进行不同类型的核聚变装置实验,通常成功实现了核聚变反应,但时间很短,也未产生有用的能量。

在世界各地,研究人员和工程师正在探索不同的聚变装置设计,以推动进展,而我们这份新出版物从这些装置能力的角度全面概述了聚变研究和发展活动。
原子能机构核等离子体聚变专家Matteo Barbarino

不同的方案,相同的目标

新报告各章专门介绍一种不同的设计类别,提供了包括其名称、现状、所有权、所在国和组织在内的详细信息,并对该装置的目标和主要功能作了简要描述。报告还提供了关于出版物、资金和其他参数的统计数据,以帮助全面了解全球聚变活动状况。

例如,托卡马克和仿星器是最常见装置,也是目前许多研究的重点。这些环形装置包含控制等离子体(一种高温带电气体)运动的大型磁体,以产生聚变。报告显示,目前世界上有50多个托卡马克和10多个仿星器在运行。世界最大的托卡马克国际热核实验堆目前正在法国建造,有35个国家参与了该项目。

另一种方案包括惯性聚变,使用高功率激光器(或其他手段)加热和压缩含有燃料芯块的微小球形胶囊。去年12月,美国国家点火装置利用这种方案在核聚变研究方面取得了重大进展,其192台激光器输出的2.05兆焦耳能量产生了约3.15兆焦耳能量。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室惯性约束聚变计划设计物理部首席科学家Omar Hurricane说:“今年,我们发现自己可以用过去式谈论燃烧等离子体、聚变点火和目标能量增益大于1这些里程碑,这种情况非同寻常。”

报告还详细介绍了科学家们继续致力于创造聚变的其他设计,例如,使粒子加速器产生的两个离子束相互碰撞,在碰撞点产生聚变,或尝试氢同位素以外的燃料,例如,基于质子与硼-11聚变的燃料。

为了证明聚变能够有效发电,人们越来越多地致力于设计和建造示范聚变电站(或称DEMO),其中也包括私营部门正在进行的投资。报告还专门用一章介绍了中国、欧洲、日本、俄罗斯、韩国、英国和美国处于不同发展阶段的12个示范聚变电站概念,其目标完成日期在未来三十年内不尽相同。Barbarino说:“我们在了解聚变及其科学方面取得了重大进展,但在聚变成为实用的电力来源之前,还有很多工作要做。”

点击这里了解更多关于聚变和原子能机构作用的信息。

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