初原載于? 愛學(xué)習(xí)的? 青春材制

2021-10-15

未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載

????????1765年，英國的詹姆斯·瓦特發(fā)明了蒸汽機，而蒸汽機的原理是把蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機械功的往復(fù)式動力機械—機械能。而機械能，就是當(dāng)時可利用的能量。

????????從此，燒水就成為人類把各種能量轉(zhuǎn)化為可利用的能量的方法。

　　但是，怎樣合理轉(zhuǎn)化能量以達(dá)到既環(huán)保，又高效的目的呢？最近山西各地由于暴雨造成塌陷，就是因為過度煤炭開采。這種能源雖然利用簡單，但是會造成污染、地質(zhì)隱患。山西作為煤礦大省，又遇上了百年一遇的大暴雨，山洪、洪水、塌陷都在警示人們?nèi)ふ噎h(huán)保的能源。??

那么有什么環(huán)保的能源？

1）太陽能

????????太陽能發(fā)電也可以“燒水”，但是成本奇高。

2）風(fēng)能

????????受天氣影響大，且成本高。

3）核能

????????核裂變易引發(fā)核泄漏，比如切爾諾貝利核電站事故。

　　而我們今天要說的，就是一種安全、可控、環(huán)保的新“燒水”方式—可控核聚變。

　　近日“達(dá)峰碳中和科技論壇如期舉行”，中科院等離子體物理研究所所長宋云濤在演講時表示，聚變能是核能發(fā)展的最終目標(biāo)，我國在這方面處于世界前列，并且10年內(nèi)有望建成示范工程。

那么，什么是可控核聚變呢？

一．可控核聚變概論

????????首先得說什么是核聚變。

????????核聚變是指兩個輕元素（不光是氫元素）變成一個重元素的過程。

????????顧名思義，輕元素相比于重元素更輕，更易發(fā)生反應(yīng)。

????????如圖：

????????而可控核聚變，就是把這一過程通過機器放緩，再轉(zhuǎn)化為人類可利用的能量。

????????因此，核聚變有著非常好的能源應(yīng)用前景，能量密度極大，原料不是很貴，沒有放射性污染，沒有氣體污染，沒有二氧化碳的排放。

????????可控核聚變并不是什么前沿技術(shù)，相反，在在上個世紀(jì)就有了成形的實驗機器。

二．可控核聚變的歷史

????????最開始研究出這個裝置的，是蘇聯(lián)。但是在當(dāng)時，西方國家覺得這玩意沒用，就沒有研究。直到1969年，英國學(xué)家跑到莫斯科調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這個方案可用且更高效。西方才紛紛建造托卡馬克。后來我國也開始了可控核聚變的研究。

所以講了那么多，我國是怎么實現(xiàn)可控核聚變的？

????????這就得說說咱們今天要講的設(shè)備——托卡馬克，俄意環(huán)狀磁容器了！

????????根據(jù)聚變?nèi)胤e，控制好高溫，高壓，能量約束時間，讓三乘積達(dá)到一定閾值后，就能實現(xiàn)可控核聚變。

　　看起來很簡單，可實際上遠(yuǎn)比想象的復(fù)雜。

　　常溫常壓下兩個原子核，都因為帶正電而排斥，而在高溫高壓下才容易讓兩個原子核克服排斥力。

????????如果你解決了高溫和高壓，在氘氚的混合氣體中，原子核和電子就會分開，形成等離子體，在磁場的束縛下，等離子不斷碰撞，產(chǎn)生質(zhì)量虧損，釋放能量。

而托卡馬克裝置，就解決了這個問題！

　　托卡馬克裝置，中央是環(huán)形真空外面圍繞著線圈，通電時內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場，利用超強磁場約束等離子體，使其懸空高速旋轉(zhuǎn)，不跟容器直接接觸，避免燒壞設(shè)備，以達(dá)到受控核聚變的目的。

　　最后，用核聚變產(chǎn)生的巨大熱量使水蒸發(fā)發(fā)電，變?yōu)槿祟惪衫玫碾娔?。這也是為什么說可控核聚變本質(zhì)上在燒水。

為什么對可控核聚變來說，托卡馬克是可行的呢？

1.反應(yīng)劇烈

　　等離子體被約束在縱向磁場中，垂直與磁場方向運動的帶電粒子就會受到洛倫茲力作用做圓周運動，當(dāng)產(chǎn)生等離子體電流時，帶電粒子就有了沿磁力線方向的運動分量，圓周運動會變成螺旋運動。反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生大量能量.

2.安全

　　由于磁場的約束，帶電粒子是無法飛出等離子體膜的。但是中子這種中性粒子是可以飛出來的。這牽涉到不同線圈構(gòu)建的磁場位型。總的來說，等離子體是懸浮在真空室內(nèi)的。

????????所以，溫度高時，不會因為等離子體發(fā)生爆炸。而低溫反應(yīng)自然停止。

3.高溫

　　托卡馬克像電磁爐一樣，在等離子體上下產(chǎn)生高頻交變的磁場，使等離子體上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢從而產(chǎn)生渦旋電流使等離子體溫度上升。

所以我國目前在可控核聚變到哪個階段了呢？

　　在全超導(dǎo)方面，我國的EAST達(dá)到了1億攝氏度約束時間100秒的水平。金屬鉬材料制作的第一壁使用壽命8500小時，并且與法國聯(lián)合研制的機械臂在不斷改進(jìn)過程中。

　　我國目前也開始實施自己的核聚變反應(yīng)堆——CFETR．

　　CFETR的實施，將推動中國走向世界核聚變領(lǐng)域的中央，并成為代表中國參與全球科技競爭與合作的重要力量，使中國跨入世界聚變能研究開發(fā)先進(jìn)行列，對解決能源危機問題具有重要意義，計劃在2050年實現(xiàn)核聚變商業(yè)化，完成人類終極能源。

參考文獻(xiàn)：

1新京報9月27日報道

2知乎 張子立《可控核聚變到底是什么》

3百度百科 《可控核聚變》

4圖片素材來自網(wǎng)絡(luò)及筆者手繪

撰 稿 人：材制科協(xié)科創(chuàng)部? ? ? ? 童致卿 王海楊 姜誠驁

責(zé)任編輯：科技協(xié)會執(zhí)行主席? ? 　　馬浩然

執(zhí)行編輯：科技協(xié)會組宣部? ? ?? 吳培源　李嘉宇

總 編 輯 ：? ?? ? ? ? ? ? 　李曉萌

投稿請發(fā)送至：fmmsat@163.com

?

?