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中美双方在核聚变领域的研究都处于世界领先水平,双方的研究水平不相上下。
核聚变能是人类能源的未来,世界各国有能力的国家都在争先研究。目前可控核聚变技术主要有磁约束和惯性约束这两个研究方向,主要研究的是聚变起点相对来说比较低的氢元素的同位素氘(D)与氚(T)的聚变反应。
在磁约束和惯性约束这两个研究方向上,中美均有涉及,并且中美分别在这两个不同的研究方向上各自取得了不俗的成绩。中美双方在核聚变领域的研究都处于世界领先水平,双方的研究水平不相上下。至于他们谁能够最先取得突破,让可控核聚变技术成功由实验室走向商用,还真不好说。中美未来被别人弯道超车也说不定。
可控核聚变的意义
地球上的能量,无论是以矿石燃料,风力,水力还是动植物的形式储存起来的,最终的来源都是太阳,而太阳的能量则是来源于核聚变,因此,人类如果掌握了有序地释放核聚变的能量的办法,就等于掌握了太阳的能量来源,就等于掌握了无穷无尽的矿石燃料,风力和水力能源,一些人鼓吹的现代工业将因为没有能量来源而走向灭亡的观点也就破产了。
因此,可控核聚变反应堆当之无愧地被称作“人造太阳”。我国在可控核聚变技术方面处于世界领先地位,即将开始运行的EAST反应堆是世界上第一个达到实用工程标准的反应堆,如果能够成功运行,那么,可控核聚变的商业发电的时日就不远了。
可控核聚变哪个国家最先进
我们都知道可控核聚变很重要,如果能迈过这个坎就是人类文明进步的一大步。同时大家也都明白,可控核聚变实现起来很难。就好像谭咏麟永远25岁一样,关于可控核聚变有个永远50年的梗--不管到了什么时候,你都可以说,可控核聚变还有50年就能实现了。
核聚变发电原理图
不过最近,2020年9月29日,美国麻省理工学院MIT冒出来一个消息,MIT将和一个叫做Commonwealth Fusion System的私人机构,从2021年开始建设一个核聚变反应堆,预计到2025年建成,用于验证技术,最终在2035年左右实现商业性可控核聚变发电。
MIT校园
不是说好五十年之后吗?怎么突然变成15年了?幸福来得太突然,让大家有些措手不及。兴奋之余,MIT到底靠不靠谱啊?
先讲讲可控核聚变的基础知识,再看看MIT的说法是不是靠谱。
1、 可控核聚变
核聚变大家都了解是怎么回事,比如太阳上就发生着核聚变,氢弹爆炸也属于核聚变。核聚变简单来说就是原子核融合的时候,比如氢原子融合成氦原子,会释放出能量。而我们所说的可控核聚变,是希望核聚变在人类的控制下按照期望的速度发生,从而将释放出的能量为人类所利用,比如用来发电。
人类1952年爆炸第一枚氢弹
实现核聚变从原理上来说不难,只要把原子核凑在一起,有足够的温度和密度,聚变就会发生。1957年,英国科学家John D. Lawson提出了著名的劳森判据,作为核聚变能否发生的条件,后来人们把劳森判据表达成三重积的形式:简单来说,温度、密度和约束时间三者的乘积大于一个阈值的时候,就达到了核聚变的条件。氘氚聚变是最容易实现的核聚变,因为它的阈值最低,为3x1021 keV s/m3。
氘氚聚变是最容易实现的核聚变
氘和氚都是氢的同位素,氘由一个质子和一个中子组成,原子量为2,写成2H;氚比氘多一个中子,原子量为3,写成3H。氘和氚融合的时候,会形成一个氦原子4He并释放出一个中子和能量。
从工程的角度来说,需要大约1亿度的温度,和每立方米2~3x1020以上的等离子密度,再把这些等离子长时间约束在一个空间内,慢慢进行核聚变。因此可控核聚变的核心问题就是:如何把这么高温度的离子高密度且长时间地聚集在一起。
通常有两个办法,一种叫惯性约束,使用激光轰击微型小球,压缩里面的氘氚1:1混合等离子体,就是所谓的激光点火。这种方法从发电角度来看,以当前技术水平不太实用,不细说了。对发电来说比较有希望的方法叫磁约束,就是通过磁场把带电的离子束缚在一个空间区域内,不与外界直接接触,这样反应堆容器外壁的温度也就是1000度的样子,在人类材料所能承受的范围内。
线圈
只要学过中学物理就知道,给线圈通上电流,线圈就会产生磁场,这样的磁场就可以用来约束离子体。这就是磁约束的基本原理,人们把这样的核聚变装置叫托卡马克。
通电线圈中的磁场
因此,托克马克本质上来说就是一个常做成环形的大线圈,里面约束着高温、高密度的等离子体。
可控核聚变技术的研究和开发在全球范围内都在积极进行中,各国都有自己的优势和进展,这是在可控核聚变领域表现出色的国家。
中国:中国在可控核聚变领域有着显著的贡献和成就。中国的东方超环(EAST)和中国CFETR装置是全球磁约束聚变装置的重要部分,这些设备都采用了托卡马克技术,致力于实现核聚变反应过程的长期稳定运行。中国也参与了国际热核聚变实验堆(ITER)的建设,这是一个由七国(中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度)共同参与的项目,目标是探索利用聚变能的科学和工程技术可行性。
美国:美国在可控核聚变领域也有显著的贡献。美国的国家点火装置(NIF)和中国的神光计划是惯性约束聚变领域的代表性项目。美国麻省理工学院的团队也在可控核聚变技术的研究中取得了重大突破,研发的超导磁体有望将可控核聚变装置的体积和成本大幅降低。
其他国家:除了中国和美国,其他如欧盟、日本、韩国和印度等国家也在可控核聚变领域进行了深入的研究和开发。
每个国家都在可控核聚变领域做出了自己的贡献,并且都有着显著的进展。由于可控核聚变技术的复杂性和难度,截止2024年3月20日还没有一个国家能够在所有方面都领先。全球的合作和共享知识对于推进可控核聚变技术的发展至关重要。
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