不得不说,中国在可控核聚变领域,又遥遥领先了。
据悉,全球首台全高温超导托卡马克装置,已经在中国建成!
它就是由能量奇点公司设计、研发和建造,由中核五公司承建的洪荒70托卡马克。
那么,这是否意味着人类可控核聚变要来了?
可控核聚变难点
核聚变是个好东西,只需要使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核,就能释放出大量的能量。
从理论上讲,在同等质量下,核聚变可以产生比核裂变高出四倍多的能量。
举个例子,为什么氢弹的威力要比原子弹大很多?
就是因为原子弹是核裂变反应,而氢弹是核聚变反应。
但氢弹的核聚变是不可控的,所有的能量都会在一瞬间被释放出来。
于是人们便想办法,能不能搞出一种装置,使之产生可控的核聚变?
经过不断的尝试后,目前来说有两种主流的办法。
一种是利用激光约束,具有代表性的就是美国国家点火装置。
它是利用超高能的激光轰击微小的核燃料,通常是含有氘和氚(氢的两种同位素)的小球。
在极短的时间内,将小球加热到极高温度和压力,使其坍缩内爆发生核聚变,从而释放出巨大的能量。
另一种是利用磁约束,具有代表性的就是托卡马克装置。
它是一种环形容器,中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈,在通电时内部会产生巨大的螺旋形磁场。
利用强大的磁场,可以操控氢的同位素-氘和氚,使之成为等离子体,并加热至1亿摄氏度左右,使其相互碰撞,继而发生核聚变,并释放能量。
比如欧洲的国际热核聚变实验反应堆(ITER)、中国的东方超环(EAST)、韩国的KSTAR等,都是属于这种类型。
原理听起来挺简单的,但想要将其真正实现出来,却非常难。
首先,如何稳定控制的这些高温等离子体,是最复杂的挑战。
为了使氘和氚的原子核,能够克服静电斥力进行聚变,等离子体的温度需要达到上亿摄氏度。
而在这样的条件下,保持等离子体的稳定非常困难。
因为等离子体容易受到多种不稳定性因素的影响,如磁流动不稳定性和热不稳定性,这些都需要通过精密的控制来管理。
其次,超强磁场的生成和维持,也是极具挑战性的。
为了约束高温等离子体,防止与反应器壁接触,这就要求生成数百万安培的电流和超强磁场。
而这背后,则需要巨大的能量投入以及高性能的超导磁体技术。
最后,也是最关键的,不是说条件满足后,就一定就能实现核聚变。
目前来说,核聚变的效率通常用Q值来衡量,即聚变产生的能量与维持聚变反应所需投入能量的比值。
也就是通常说的正增益,只有当Q>1的情况,才有可能实现核聚变。
2021年5月,中科院的“东方超环EAST”实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒,和1.6亿摄氏度20秒的等离子体运行,创造了新的世界纪录。
这些条件,展示了中国具备在地球上创造和维持极端条件下等离子体的能力。
同年12月,东方超环实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,这是目前世界上托卡马克装置实现的最长时间。
这个时间,对于中国实现连续稳定的核聚变反应至关重要。
尽管中国取得了显著的进展,但是东方超环采用的还是低温超导,这种材料成本比较低,技术也相对成熟。
洪荒70核聚变装置
但这次的洪荒70核聚变装置则不一样,全部磁体系统,均采用高温超导材料建造。
它是全球首台全高温超导托卡马克装置,也是全球首台由商业公司研发建设的全超导托卡马克装置。
所谓高温超导,指的是特定材料在临界温度在液氮温度77K (-196℃)以上,出现超导电性的物理现象。
相较于传统的低温超导材料来说,高温超导磁体能够在不失超导性质的情况下承受更强的电流,从而产生更强的磁场。
这对于提高核聚变装置中,等离子体的约束和稳定性至关重要。
此外,更强的磁场意味着可以在更小的装置中实现高效的等离子体约束,有助于降低建造和运营成本,推动核聚变技术向商业化迈进。
目前,全球暂时还没有全高温超导托卡马克建造完成。
而中国这次的洪荒70,无疑就是全球第一个,说是遥遥领先,一点也不为过吧。
另外,能量奇点独立研发的一套基于AI的等离子体运行控制系统-“奇门系统”,也将首先应用于“洪荒70”的运行控制,并持续迭代升级。
据悉,该系统能够处理大量数据,从复杂的等离子体运行数据中学习和预测,有助于优化运行策略,提高聚变效率和安全性。
值得一提的是,能量奇点成立于2021年,是中国首家聚变能源商业公司,业务聚焦于开发高磁场、高参数、紧凑型高温超导托卡马克装置等。
该公司曾在2022年2月份获得近4亿元(6300万美元)投资,领投企业之一是米哈游。
根据能量奇点的计划,将在2024年完成建造和测试完成,下一代强磁场托卡马克装置的核心部件—“经天磁体”。
据悉,这种磁体单个线圈的磁场强度将达到25特斯拉以上,工程电流密度超过每平方米150兆安培。
这种高磁场强度,无疑将会进一步提高托卡马克装置中,等离子体的约束效率。
这么看来,能量奇点这家国内商业公司,真是后生可畏啊!老铁666!
结尾
按照这个节奏下去,感觉中国有望在可控核聚变能源商业化的道路上,取得更大的突破。
估摸着大洋彼岸的美国该着急了,因为留给他们的时间不多了。
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