世界上最大的聚变反应堆内部

世界上最大的聚变反应堆内部

冷聚变的失败可能已经玷污了该领域的声誉,但自 1932 年以来,物理学家们就已成功地利用热聚变将原子核连接起来。如今,热聚变研究可以带来一种清洁能源,摆脱核裂变发电厂的种种弊端。核聚变发电厂不会熔化;不会产生寿命长、放射性强的废物;核聚变燃料也不容易制成武器。

实现核聚变发电的最前沿是国际热核聚变实验堆(ITER),这是一个旨在建造世界最大核聚变反应堆的国际合作项目。该项目的核心是托卡马克装置,这是一种容纳核聚变反应的环形容器。在这个容器中,磁场将由氘和氚(氢的两种同位素)组成的等离子体限制起来,而粒子束、无线电波和微波将其加热到 2.7 亿华氏度,这是维持核聚变反应所需的温度。在反应过程中,氘和氚原子核聚变,产生氦和中子。在核聚变发电厂中,这些高能中子将加热托卡马克装置中一个称为包层的结构,该热量将用于转动涡轮机发电。

ITER 反应堆将是有史以来最大的托卡马克,发电量达 500 兆瓦,与燃煤发电厂的发电量大致相同。但 ITER 不会发电;它只是一个巨大的物理实验,尽管它具有非常高的潜在效益。仅仅 35 千分之一盎司的氘氚燃料就能产生相当于 2,000 加仑燃油的能量。而且 ITER 的流程“本质上是安全的”,该项目的高级科学官员理查德·皮茨 (Richard Pitts) 说。“它永远不会像你在裂变世界中看到的那样——切尔诺贝利或福岛——这就是它如此吸引人的原因。”

ITER 磁铁产生的磁场强度至少是冰箱上磁铁的 1,000 倍。要使基于托卡马克的核聚变完全商业化,开发人员必须克服几个挑战。首先是氚的生成问题;世界上任何时候都只有大约 50 磅的氚,因为它不是自然产生的,而且衰变很快。(氘不具有放射性,可以从水中蒸馏出来。)虽然 ITER 可以使用核电站生产的氚,但全尺寸核聚变工厂需要自己生产——核聚变反应产生的中子可用于将锂储存转化为氚。此外,物理学家还必须确定哪些材料最能承受核聚变反应的副产品,这些副产品会磨损托卡马克的壁。最后,设备中残留的放射性将带来维护问题,因为人们将无法在容器内安全工作。ITER 科学家必须开发能够更换重达 10 吨的零件的机器人。

ITER 将于 2019 年在法国开始实验。如果实验成功,该项目产生的数据将帮助 ITER 团队设计 DEMO,这是一座拟建的 2,000 至 4,000 兆瓦的示范聚变发电厂,将于 2040 年建成。

(单击上图以获取更多信息。)

燃料

工程师将两种氢同位素氘和氚注入托卡马克(一种高功率的甜甜圈形真空室)。

等离子体

强电流使氘气和氚气加热并电离,形成等离子环,即一团由带电粒子组成的发光汤。

无线电波、微波和高能氘粒子束加热等离子体。在高温下,氘和氚融合形成氦原子和​​中子。

遏制

如果等离子体接触托卡马克的壁,就会破坏聚变反应。带电粒子被限制在由 39 个超导极向、环形和中心螺线管磁铁组成的磁场中,这些磁铁位于甜甜圈的外部和孔内。

衬垫

容器内衬有 1.5 英尺厚的钢毯,以保护托卡马克壁免受高能中子的伤害。

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