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可控核聚变是什么?将引发第四次工业革命

admin 2019-12-04 229人围观 ,发现0个评论

1946年2月14日,由美国军方定制的世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”(ENIAC Electronic Numerical And Calculator)在美国宾夕法尼亚大学问世。这也标志着第三次工业革命开始酝酿。随后随着原子能、空间技术和生物工程的发明和应用,第三次工业革命成为一场涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。

直到如今,微型计算机迅速发展。手机成为人们生活之中的必需品,四次通信技术的变革,促进了生产自动化、管理现代化、科技手段现代化和国防技术现代化,也推动了情报信息的自动化。而以全球互联网络为标志的信息高速公路正在缩短人类交往的距离,对社会产生了极大的影响。同时,合成材料的发展、遗传工程的诞生和信息论、系统论和控制论发展,也是这次技术革命的结晶。

随着5G的到来,科学家也在思考第四次工业革命究竟什么时候将到来,科学家们认为量子科技、人工智能、基因工程、石墨烯将带来第四次工业革命。

量子科技将对经典计算机产生变革,而石墨烯则是因为现在我们所有的电子产品所用的硅晶片的技术现在已经达到极限了,要产生新的电子产品,就要用新的材料,而大家认为石墨烯将会是未来的趋势。

除此之外,因为第一次工业革命和第二次工业革命都是能源的革命,所以许多科学家认为可控核聚变将会带来第四次工业革命。今天我们就来了解一下可控核聚变!

为什么可控核聚变带来第四次工业革命

我们首先要了解一下什么是核聚变,什么是核裂变。

我们知道,如果是由铀、钍、钚这种放射性的重元素原子核,自身裂解成其他轻元素的原子核,同时释放出巨大的能量。以铀元素发生的反应为例:

235U+1n→137Ba+97Kr+2n。其中元素前面的数字不是“化学计量数”,而是质量数,U为铀、Ba为钡、Kr为氪、n为中子。原子弹爆炸的反应就是用1个中子n,轰击1个U原子核发生裂变,同时释放出的2个中子n再继续轰击其他的U原子核……以此类推形成链式反应,爆发出惊人的破坏力。称为核裂变,如原子弹爆炸;

如果是由氢元素这种轻元素的原子核,相互结合成为原子质量更大的较重的原子核,同时释放出中子,产生巨大的能量。比如下面这样的反应:D+T→He+n。其中D和T分别是氢元可控核聚变是什么?将引发第四次工业革命素的同位素“氘”和“氚”,He为氦元素,n依旧是中子,则称为核聚变。

氢弹就是主要利用氢的同位素(氘、氚)的核聚变反应所释放的能量来进行杀伤破坏,属于威力强大的大规模杀伤性武器。上面的这个反应就是由氢的同位素氘(读"刀",又叫重氢)和氚(读"川",又叫超重氢)聚合成较重的原子核如氦而释出能量。

那为什么核聚变如此危险,还会被认为将带来第四次工业革命呢?因为如果核聚变一旦实现可控,那么就可以稳定地输出能源。而且整个过程不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射,不产生核废料,当然也不产生温室气体,基本不污染环境。

最重要的是,地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算,每升海水中含有0.03克氘,所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘,经可控核聚变是什么?将引发第四次工业革命过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍,可以说是取之不竭的能源。

我们所熟知的太阳能够持续45亿年发光发热,就是可控核聚变是什么?将引发第四次工业革命通过核聚变,1939年,美国物理学家贝特通过实验证实了太阳发光发热的原理,把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞,两个原子核发生了融合,形成一个新的原子核——氦外加一个自由中子,在这个过程中释放出了17.6兆电子伏的能量。

关于核聚变的研究进展

关于核聚变的研究,我国开展的非常早,早在50年代,我国著名科学家王承书就研究清楚了热核聚变的理论基础和方法。并参与建设了我国最初的三个等离子体实验装置。成为中国热核领域的权威专家,并且培养了一大批的热核领域人才。

而我国两弹一星元勋王淦昌先生则在全世界最早提出了惯性约束理论。

惯性约束核聚变是指提出发展可控核聚变,用激光或离子束作驱动源,脉冲式地提供高强度能量,均匀地作用于装填氖氖(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面,形成高温高压等离子体,利用反冲压力,使靶的外壳极快地向心运动,压缩氖氖主燃料层到每立方厘米的几百克质量的极高密度,并使局部氖氖区域形成高温高密度热斑,达到点火条件,驱动脉冲宽度为纳秒级,在高温高密度热核可控核聚变是什么?将引发第四次工业革命燃料来不及飞散之前,进行充分热核燃烧,放出大量聚变能,从而实现可控核聚变。

而另外一种是磁约束聚变,它是指用特殊形态的磁场把氘、氚等轻可控核聚变是什么?将引发第四次工业革命原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内,使它受控制地发生大量的原子核聚变反应,释放出能量 。这是由苏联科学家塔姆和萨哈罗夫率先提出的。而我国也早在1962年东北技术物理研究所成立后,建成了一台Z箍缩装置、一台角向箍缩装置和一台离子源,并开展了稳态磁镜的设计。

而到了后来,对于可控核聚变的研究发展出来了“人工太阳”计划,除了中国,还包括欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、和、美国一同参与了这项“人造太阳”计划。可以说“人造太阳”计划包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家,覆盖的人口接近全球一半。

要想实现可控核聚变,有两大难题需要解决,一个是关于核聚变的“点火”问题,另外一个是是需要制造特殊的高温高压环境。与核裂变反应不同,核裂变的原子核质量较大,而且本身不稳定,所以只要常温常压的环境就能实现裂变反应。

在这两大难题上,中国取得的成果都是领先世界,首先是利用惯性约束理论中国建成了神光I和神光II系列激光装置,来自上海交通大学的张杰带领团队参与的神光II装置,利用强激光模拟太阳耀斑中环顶x射线源和重联喷流,经过7年的尝试,实现了快点火激光聚变物理方案。在地球上制造“微型太阳 ”,在小实验室重现“大宇宙”。可以说为中国的”人造太阳“计划迈出了一大步,而张杰也因此获得了激光聚变领域的国际最高奖项:爱德华泰勒奖。

而利用磁约束聚变中科院等离子体物理研究所设计和研制了全超导托克马克装置HT--7U(大科学工程EAST)。

什么是全超导托克马克装置呢?为了能够制造耐得住1亿度高温的容器,科学家们利用磁约束聚变研究出了磁约束装置,利用强磁场可以约束带电粒子的特性,让它们碰不到容器,这样就不会破坏仪器。电子脱离后,带正电原子核群以及电子群就整体变成了中性,也就是等离子体。原子核在等离子体内部猛烈运动,互相的碰撞而产生的核聚变就像太阳里发生的聚变一样,这种装置也称作全超导托卡马克核聚变实验装置。

简单来说,托卡马克装置又称环流器,是一个由环形封闭磁场组成的磁笼,很像一个中空的面包圈,等离子体在这个面包圈中运动,产生超高温。

2018年11月12日,合肥制造“人造太阳”装置的EAST更是首次完成等离可控核聚变是什么?将引发第四次工业革命子中心的1亿度运行,而去年则成功实现电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。这也是截至2016年2月国际托卡马克实验装置上电子温度达到5000万度持续祖祖小y妈时间最长的等离子体放电。

而在前段时间,中国在可控核聚变研究上再度取得新突破,中国环流器二号M(HL-2M)总体安装在中核集团核工业西南物理研究院启动。作为我国新一代“人造太阳”装置,HL-2M离子体电流可达3兆安培、等离子体温度将超过2亿摄氏度,未来将用于开展聚变堆相关关键物理与工程技术研究,并为国际热核聚变实验堆(ITER)提供支撑。

中国的超导装置是最可能实现可控热核聚变能应用的途径之一目前,中科院等离子体所自主发展了68项关键核心技术,建成了20个国际先进的平台和系统,创造了101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行的世界纪录。在可控核聚变领域,中国可以说是领先世界,当然,目前日本和美国的技术水平和中国之间的差距很小,某些方面还比我们更强一些。

但是实现一亿度到可控核聚变,其中还有很长的路要走。而其中还需要解决的问题就是中子辐射,带电的都会受磁场约束,那么中子不带电在磁场里不受约束怎么办?换言之就是说,带电粒子会受到约束,触碰不到容易,然而不带电中子在磁场里却不受控制。

一旦高能量的中子碰撞仪器内部,仪器根本受不住,这样聚变就没办法持续太长时间。这也是未来需要解决的问题。


即使我们成功实现核聚变过程可控,而商业利用聚变能又是更高一层的要求。按照科学家的精确语言来描述,必须是输出能量大于输入能量,这个比例称为Q值,自然是越大越好,成本花费越少,获得能量越多,这笔买卖才是划算的。因为真正有用的可控核聚变必须要考虑投入产出比。

科学家预测在2070年可以基本完成可控核聚变,进行发电。而到了22世纪,人类可以熟练的通过可控核聚变产生巨大能量,到时候海水可以提供亿年的燃料,无成本无限用电也将不再是梦。

那么如果真的是可控核聚变将带来第四次工业革命,那我们距离第四次工业革命还有50多年的时间,但不管怎么样,中国和日本美国欧洲正处于第一梯队,中国将不会像前三次工业工业革命一样,只是旁观者,将会成为参与者,甚至是引领者。

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