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近年来,随着化石能源的减少和环境问题的加剧,人们对清洁安全,可持续的新能源需求变得愈加迫切。在此背景下,核聚变技术因其高效,
就当下而言,人类关于核聚变的研究可谓喜忧参半。一方面,全球最大的人造太阳项目“ITER”深陷预算超支,工期延误的泥潭,面临烂尾风险。与此同时,中国的“东方超环(EAST)”项目却取得了重大突破,变成全球核聚变研究的新亮点。
核聚变,指的是轻原子核在高温度高压力的环境下,结合成较重原子核,并伴随释放出巨大的能量的过程。太阳释放能量的方式是核聚变,每秒钟太阳内部都在进行着核聚变反应,以此来支持其发光发热。
一直以来,核聚变都被视为解决人类能源问题的光明大道,其原料丰富,不会如化石能源般有枯竭的可能,而且对环境危害也很小,属于一种高效,可持续的清洁能源。
用于核聚变反应的燃料,氘和氚可以从海水中提取,它们是常见的氢同位素。而且,氚还能够最终靠用中子轰击锂反应产生。核聚变反应后的产物主要为氦,并不可能会产生长期性的放射废料,避免了核污染风险。
此外,核聚变能量巨大,比化石燃料以及核裂变反应释放的能量高出数倍甚至数十倍。例如,仅1克氘氚燃料核聚变反应所释放的能量就等于11吨煤,而且整一个完整的过程还不可能会产生二氧化碳等任何温室气体。
“人造太阳”是一种装置设备,它是对核聚变反应堆的形象化称呼,它可以模拟太阳内部的核聚变过程,在地球上实现可控核聚变。
其中,“托卡马克装置”是一种应用较为广泛,用于研究核聚变的实验设备,它的工作原理是利用磁场将等离子体约束在一个环形真空室内,通过外部加热装置将等离子体加热到数亿摄氏度的高温,以此来实现核聚变反应。
我国在核聚变领域的研究起步比较晚,但发展迅速,如今已取得了相当显著的成就。2006年,中国自主建成了国际首个全超导托卡马克装置东方超环(EAST)。它主机部分高11米,直径为8米,重达400吨,近年来随技术的进步,它不断创下新的世界记录。
2018年,在加热功率超10兆瓦的条件下,“EAST”创下了等离子体中心温度1亿摄氏度的新纪录。2021年5月,“EAST”实现了 1.2亿摄氏度下101秒,可重复的稳定运行,以及在1.6亿摄氏度下等离子运行持续20秒的新纪录。
2023年4月12日,“EAST”又成功实现了在高功率模式下,持续 403秒稳态高约束模式等离子体运行,再次刷新纪录。
除了“EAST”项目,中国在其他核聚变装置上也取得了显著成就。比如中核集团研制的环流二号(HL-2A),于2002年首次运行。该装置通过一系列实验,为后续更大规模的核聚变装置提供了宝贵的经验数据。
2020年,“HL-2A”的改造升级版“HL-2M”完成建造并成功运行。“HL-2M”也被称为中国新一代“人造太阳”,它的等离子体电流突破了100万安培(1兆安),标志着中国在核聚变研究中又迈出了重要一步。
在我国的“人造太阳”屡屡完成新突破的同时,国际最大的“人造太阳”项目却面临烂尾的风险。这一项目全称为“国际热核聚变实验堆(ITER)”,是目前是全球顶级规模,影响最为深远的国际科研合作项目之一。
项目由中国,欧盟,美国等七个国家或组织共同参与实施,其中中国承担了9%的任务。该项目的起源可以追溯到20世纪80年代中期,于1988年开始设计工作,2006年正式开工建设。
项目原计划在2016年完成,但由于各种技术和管理问题,工期不断推迟,预算也严重超支。2022年,“ITER”项目总干事Bernard Bigot去世,其接替者Pietro Barabaschi曾表示,ITER装置的核心组件,真空容器和隔热罩存在质量上的问题,有必要进行大规模维修和更换。
“解决这样一些问题需要几个月,乃至几年甚至更长的时间”,Pietro表示这对项目的进程影响非常大。
截止目前,“ITER”项目总预算已经飙升至220亿美元,远超最初的63亿美元。项目原定在2018年实现首次等离子体运行,但这一目标已推迟到了2025年。而实际进行氘氚实验则要等到2035年。
此外,“ITER”项目内部管理层的更替,以及新冠疫情导致的供应链中断和施工延误,也对整个项目的进展造成了负面影响。
《科学美国人》杂志报道称,“ITER”项目已经到了“创纪录的灾难边缘”,可能会成为有史以来工期延误时间最长,预算超支最严重的科研项目。
核聚变技术作为人类未来能源的希望,正在全世界内不断探索和突破。中国的“EAST”在这一领域成就非凡,展示出了强大的科研实力和技术水平。然而,国际上的 “ITER” 项目却陷入了重重困境,面临着预算失控和工期延误的严峻考验。
这一对比不仅反映了各国在研发技术和项目管理上的差距,也凸显了国际合作的重要性。科学探索的道路从来都不是一帆风顺的。未来,随技术的慢慢的提升和国际合作的深化,人类掌握可控核聚变技术必将成为现实,这一新能源形式也必将为人类社会带来持久的福祉。
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