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世界上第一座高效而清洁的商用核聚变发电站建成 

核聚变发电是21世纪初期研究的重要技术,主要是把聚变燃料加热到1亿度以上高温,让它产生核聚变,然后利用热能。核聚变发电的最终实现在二十一世纪中期,2059年,世界上第一座高效而清洁的商用核聚变发电站建成。

在二十世纪至二十一世纪初期,世界核电站所的发电技术主要是核裂变。核裂变虽然能产生巨大的能量,但远远比不上核聚变,裂变堆的核燃料蕴藏极为有限,不仅产生强大的辐射,伤害人体,而且遗害千年的废料也很难处理,核聚变的辐射则少得多,核聚变的燃料可以说是取之不尽,用之不竭。人们看到了人造太阳露出的晨曦。并陆续建成了核聚变发电站,而直到2059年,第一座真正的商用核聚变发电站建成。基本上“永远”地解决了能源需求的矛盾。

一直以来,在太阳上由于引力巨大,氢的聚变可以自然地发生,但在地球上的自然条件下却无法实现自发的持续核聚变。根据核聚变发生的机理,一直以来要实现可控制的核聚变实际上比造个太阳要难多了。所有原子核都带正电,两个原子核要聚到一起,必须克服静电斥力。两个核之间靠得越近,静电产生的斥力就越大,只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时,核力(强作用力)才会伸出强有力的手,把它们拉到一起,从而放出巨大的能量。要使它们联起手来并不难,难的是既要让它们有拉手的机会又不能让他们过于频繁地拉手。

庆幸的是,在二十一世纪上半页,这一困难已经克服,人们促成了粒子间足够的高速碰撞机会而使得它们之间“有机会拉手”。并在一定限制范围内增加了原子核的密度和运动速度。在维持一定的密度下,粒子的温度达到了1~2亿度,这比太阳上的温度(中心温度1500万度,表面也有6000度)还要高许多。这样高的温度人们通过磁约束技术来“装”下它。

为了维持强大的约束磁场,电流的强度非常大,时间长了,线圈就要发热。从这个角度来说,常规托卡马克装置不可能长时间运转。为了解决这个问题,人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中,这是解决托卡马克稳态运转的有效手段之一。法国、日本、俄罗斯和中国在二十一世纪早期共有4个超导的托卡马克装置在运行,它们都只有纵向场线圈采用超导技术,属于部分超导。其中法国的超导托卡马克Tore-Supra体积较大,它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置,在放电时间长达120秒的条件下,等离子体温度为2000万度,中心粒子密度每立方米1.5×1019个。中国和韩国随之建造了全超导的托卡马克装置,使得托卡马克更长时间的稳态运行。

数十年来,全世界共建造了上百个托卡马克装置,在改善磁场约束和等离子体加热上下足了功夫。在上世纪70年代,人们对约束磁场研究有了重大进展,通过改变约束磁场的分布和位形,解决了等离子体粒子的侧向漂移问题。世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。

世界上第一个可实现稳态运行、具有全超导磁体和主动冷却第一壁结构的托卡马克是EAST或者称“实验型先进超导托卡马克”,是一台全超导托卡马克装置。该装置有真正意义的全超导和非圆截面特性,更有利于科学家探索等离子体稳态先进运行模式,其工程建设和物理研究为“国际热核聚变实验堆”(ITER)的建设提供了直接经验和基础。

为了达到聚变所要求的条件,托卡马克已经变为一个高度复杂的装置,十八般武艺全用上了,其中有超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境,对工艺和材料也提出了极高的要求,从堆芯上亿度的高温到线圈中零下269度的低温,就可见一斑。

ITER计划采用了最先进的设计,综合了一直以来的经验和成果,比如采用全超导技术,诸如探索新的加热方式与机制为实现聚变点火,改善等离子体的约束性能,反常输运与涨落现象研究等前沿课题,偏滤器的排灰、大破裂的防御、密度极限、长脉冲H-模的维持、中心区杂质积累等工程技术难关也先后被攻克。ITER的科学研究成功后,聚变发电站经过了二十多年的时间才得以实现,2059年第一座商用核聚变发电站的建成,使得人们在迈入超清洁高效新能源时代。

ETR:P77

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