日报

应对能源危机,他们造了一个“太阳”

刊登于 2015-12-16

2013年10月29u001b日,德u001b国马克斯普朗克研究所,工作人员在u001bu001b讲解国际热核聚变实验反应炉u001bu001b如何运作。  摄:Sean Gallup/GETTY
2013年10月29日,德国马克斯普朗克研究所,工作人员在讲解国际热核聚变实验反应炉如何运作。  

太阳每分每秒都在发生着核聚变(Nuclear Fusion),在这一过程中,两个质量较小的原子核通过融合而发生质量亏损,从而转化为巨大的能量(根据爱因斯坦著名的质能转换公式 E=mc2)。科学这把双刃剑让人类既可以实现氢弹爆炸这类不受控核聚变,也可以制造出仿星器(Stellarator)等可控核聚变装置,以获得我们亟需的新能源。

德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所(Max Planck Institute for Plasma Physics)于近日成功开启了世界上最大的仿星器反应堆“Wendelstein 7-X”(简称“W7-X”),这个被称为“人造太阳”的装置将来或许能为人类带来无穷尽的廉价清洁能源。

W7-X 项目共投资10亿欧元。始于2005年的这一计划经历了一些波折,直到今年10月才宣告建成。12月10日,W7-X 通过对惰性气体氦气进行加温,制造出了氦等离子体(气体持续受热后,分子分解为原子并发生电离,形成由离子、电子和中性粒子组成的物质形态,称为等离子体;详见“端百科”),并持续了十分之一秒。

我们从惰性气体氦气开始制造等离子体,明年我们才会换成真正的研究对象——氢等离子体,因为将氦气变成等离子体更为容易,我们还能用氦等离子体清洁容器表面。

项目负责人 Thomas Klinger

实现对超高温等离子体的长时间约束是核聚变反应堆设计最重要的一环,因为这意味着可以控制核聚变的开始和停止。目前常用的托卡马克装置(Tokamak)以环形封闭磁场约束等离子体来实现受控核聚变;与之相比,W7-X 安全性更高,并且每次可连续约束超高温等离子体长达30分钟,是前者的数倍。

核聚变已成为解决全球能源问题的主要选择之一,它比目前核电站普遍使用的核裂变(Nuclear Fission)技术产生的核废料更少,放射性也会在短期内消失。从原料上来看,以氢的同位素氘和氚进行的核聚变反应,其原料可直接取自海水,几乎可以说是“无穷无尽”。

不过,人类要想有效利用这种能量,必须能合理控制核聚变反应的速度和规模。此外,触发其反应必须消耗巨大的能量(加热至1亿摄氏度),因此如何让这种能源生产方式真正地产生效益,也是科学家们最亟需解决的问题之一。

1.1 万吨
核聚变反应所需的氚和氘在自然界中广泛存在,而1公斤核聚变原料产生的电能等同于1.1万吨煤产生的电能。

声音

我们感到非常满意,一切都按照计划进行。下一个任务将是延长等离子体放电的时间,并研究利用微波制造并加热氦等离子体的最佳方法。

参与 W7-X 运行操作的 Hans-Stephan Bosch

Tokamak 装置的使用者正在期待会发生什么,W7-X 令全世界感到振奋。

美国威斯康辛大学工程师 David Anderson

大家知道我有很多的理想,我的“让每个人都有一台电脑”这个梦想实现了,我另外的梦想就是能源的供给、核能的发展,希望它也能实现。

比尔·盖茨于今年11月在中国工程院演讲

等离子体

Plasma,是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态,广泛存在于宇宙中,也是宇宙中丰度最高的物质形态,常被视为是物质的第四态(另一种第四态是液晶),被称为等离子态,或者“超气态”,也称“电浆体”。火焰亦是一种等离子体。等离子体具有很高的电导率,与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由英国物理学家克鲁克斯在1879年发现的,1928年美国科学家欧文·朗缪耳和汤克斯(Tonks)首次将 Plasma 一词引入物理学,用来描述气体放电管里的物质形态,Plasma 是源自希腊文,意为可形塑的物体,此字有随着容器形状改变自身形状之意,如灯管中的等离子体会随着灯管的形状改变自身的形状。严格来说,等离子体是具有高位能动能的气体团,等离子体的总带电量仍是中性,借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出,结果电子已不再被束缚于原子核,而成为高位能高动能的自由电子。(资料来自维基百科)

来源:新浪科技新华网赫芬顿邮报

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