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美國在核聚變技術領域「重大科學突破」,已經完成4次點火試驗

2024-07-06科學

高效的能源一直是全球的目標,一旦在這方面取得重大突破,或許能改變世界。近日,美國就宣布在核聚變技術領域中實作了突破,瞬間吸引國際社會的關註。

聚變能源

太陽是氫原子核在1500萬度左右的高溫和高壓中聚合了質子,然後形成氦原子核,釋放能量。

而核聚變技術就類似於人類造一個假的太陽,模仿的是太陽光核聚變,從而創造出源源不斷的能量,以供人類使用。

想要實作核聚變,就需要提升高溫氫氣內能減小體積,讓原子核之間距離更近。

但這並不簡單,1500萬度高溫其實很難實作,地球上的所有燃料都無法達到1500萬度,不僅如此,產生聚變反應時,其中的熱能也會使反應堆燃燒殆盡。

所以核聚變雖然可控,能為人類帶來巨大的能量和發展空間,但並不好實作這項技術。

到目前為止,科學家們研究出3條可以實作核聚變的方式,其中主流的就是利用氫同位素氘氚作為燃料使用。

在海洋中有大量的氚,多達40多萬億噸,假如將其用於核聚變,其釋放出的能量就足夠人類使用幾百億年,比傳統的燃料更持續有效,未來也將在能源的使用上更自由。

據相關資料記載,1克氘氚核聚變產生的能量就如同燃燒了8噸重的石油。

而美國在這方面的研究已經算是比較早的,將氘氚原料放在一起發生反應,從而獲得能量轉化為電子。

但在形成的過程中也會面臨和氫核聚變一樣的難題,那就是必須要求溫度在1000萬度以上,且密度較低的情況下。

氘氚核聚變

早在1933年,核聚變就被專家提出,核分裂比它晚5年被發現,但對於當時的人類而言,核分裂更容易實作,而核聚變只能作為一種暢想,是對未來的期待。

當核分裂的發展越漸成熟時,人們又開始想辦法實作核聚變,從很早的時候,美國就接觸了可控核聚變的技術。

2022年12月,美國就宣布國家實驗室的科研人員完成了史上第一次可控核聚變實驗,展示了慣性約束核聚變的原理,這是一次非常大的突破。

而人們現在之所以要在氘氚核聚變上發力,是因為目前人類大部份獲取能量的方式還是透過核分裂,但核聚變有很大區別,可以說擁有核聚變會比核分裂更好。

最大的優勢在於核聚變堆如果約束失敗,燃料的溫度降低,它就會自動停止工作,這也就表示,當核聚變發生了某種不可控的意外時,它不會發生像切爾諾貝爾核分裂那樣重大的核事故,在安全性上比核分裂要有保證。

主要原因在於氘氚不像石油、煤等傳統的燃料一樣,容易產生二氧化碳影響環境,其次氘氚核聚變是一種清潔能源,比核分裂安全、幹凈,而且不會生成放射性廢物,對人體產生影響。

眼下人類的生活和生存基本是離不開能源的,所以創造一個有效、健康、安全並且能量密度高、並且不用擔心資源枯竭問題的可持續使用能源,是全人類都需要關註的事情,如果沒有能源,人類賴以生存的科技及國家發展都將受到重創。

因此無論從什麽角度出發,氘氚核聚變都是更好的選擇,它在未來也一定會成為主要的能源,供人類使用,也能促進國家的發展。

這也是為什麽幾乎每個有能力參與氘氚核聚變研究的國家都在奮發圖強的攻克這項技術。

其中美國僅在2023年就已經完成了4次點火試驗,並遙遙領先。

未來能源

盡管可控核聚變有很高的實作難度,但作為科技發展的必要過程,以及人類能源發展的前沿陣地,可控核聚變技術的研究是必須的。

目前,國內也在積極地發展可控核聚變,從2006年開始,中國就和日本、美國等國家簽署了核聚變實驗的協定,從而進行這項技術的研究。

其中ITER是目前全球投入經費最多,規模最大的國際工程,中國也參與ITER中,和其他國家一起探索和研究核聚變。

同時,參與該專案也奠定了國內發展核聚變的基礎。

2023年,中國開展的「中國環流三號」就成功完成了高約束執行,這也讓中國更加有信心去完成和探索核聚變的發展。

與此同時,中國還自主創新研究了磁約束氘氚聚變中子源,可以利用這個裝置把氘氚等輕原子核和其他組合,從而創造出能源,該裝置比托卡馬克的等離子體密度和溫度都要高,並且是創世界紀錄的。

再加上中國早已加入ITER,更進一步推動了中國在國際核聚變技術上的地位。

而中國在核聚變技術未來的發展上有非常明確的長遠規劃,2024年5月,國務院就宣布了要繼續大力發展核聚變技術,重點支持企業去攻克這項技術難關,並盡快取得進展。

人造太陽一旦實作,那將會帶領人類進入新的能源發展時代,也將大面積改善由核分裂帶來的一系列安全、汙染等問題。

不過要完成和落地這項技術並不會很快,很多科學家認為,最快也得等到2050年能成功建成核聚變示範堆,但這個過程並不容易,首先需要突破核聚變技術,並且確保它能夠安全執行。

其次要替換核分裂也是個漫長的過程,這需要大量資金的投入,以及該產業的發展。

況且即使有一個國家率先實作並操作了,也不代表所有國家都能在同一時間實作,所以核分裂相對於核聚變,還是會在全球占據主流的位置,短時間內很難改變。

而有足夠資本支撐、且有先進科研團隊的國家,一定會名列前茅,率先使用上可控核聚變,屆時也會因為這項技術而徹底拉開與別國之間的距離,在全球範圍內都將是遙遙領先的。

在實作這一願景之前,還是要預留出一定的容錯空間和時間,相信中國在未來也會成為實作可控核聚變的其中一員。