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韩国核聚变研究取得新突破,技术水平成世界最高

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  11月23日,韩国聚变能源研究所在大田总部举行新闻发布会,宣布成功将韩国超导托卡马克核聚变研究装置KSTAR的超高温等离子体在1亿摄氏度的温度下保持20秒,韩国的核聚变技术由此上升到世界最高水平。

  韩国聚变能源研究所负责人表示,自KSTAR装置2008年开始运行以来,平均每年进行2000至3000次试验,经过10年25860次实验才取得这一成果。

  

  (KSTAR韩国超导核聚变装置。图源:百度百科)

  2018年,KSTAR研究中心首次成功将等离子体保持在1亿摄氏度下1.5秒。此前,美国和日本的研究团队在1999年成功地将等离子体温度提高到1亿摄氏度。目前,美国、日本和欧洲团队的等离子体保持时间最长约为7秒。2018年,中国的核聚变研究装置“中型超导托卡马克(EAST)”实现了保持10秒的世界最高纪录。

  

  (中国中科院等离子物理研究所完全自主研制的全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环,简称EAST,被誉为“人造太阳”。图源:网络)

  有“韩国太阳”之称的KSTAR装置,是国际热核聚变实验反应堆(ITER)项目的一部分,是世界上首一个采用新型超导磁体(Nb3Sn)材料产生磁场的全超导聚变装置,磁场强度是使用铌钛系统核聚变装置的3倍多。该装置始建于1995年,2007年完成,2008年开始运行,设备耗资约4亿美金。

  KSTAR项目研究团队规模约为300人,目前计划进一步完善KSTAR装置,将分流器材料改为耐热性和抗冲击性强的钨金属;2030年将建造验证性发电设备“DEMO”, 最终于2050年实现热核聚变能源商业化。

研究可控核聚变对人类的意义

  核能是能源家族的新成员,包括裂变能和聚变能两种主要形式。

  其中,核聚变指的是较轻原子核(例如氘和氚)在一定条件下(如超高温和高压)结合成较重原子核(例如氦),过程中会释放巨大能量。例如,在太阳中心就存在这种反应,每一秒钟,太阳中心温度1500万摄氏度的高温会将6.2亿吨氢聚变为6.16亿吨氦,余下的0.04亿吨则转化为能量,向太阳系散发光和热。

  

  (核聚变示意图。图源:科技日报)

  由于核聚变燃料可来源于海水和一些轻核,所以核聚变燃料是无穷无尽的。 目前人类已经可以实现不受控制核聚变,如氢弹的爆炸。科学家正在努力研究可控核聚变,使其成为未来的能量来源。

  受控热核聚变能的研究主要有两种——惯性约束核聚变和磁约束核聚变。

  上文中的韩国KSTAR、中国EAST,都是磁约束型全超导托卡马克核聚变实验装置,其运行原理是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚,通过类似变压器的原理使其产生等离子体,然后提高其密度、温度使其发生聚变反应,反应过程中会产生巨大的能量。

  2017年12月5日,中国自主设计和研制并联合国际合作的重大科学工程——中国聚变工程实验堆(CFETR)在合肥正式启动工程设计,中国核聚变研究由此开启新征程。

  CFETR计划分三步完成“中国聚变梦”。第一阶段到2021年,CFETR开始立项建设;第二阶段到2035年,计划建成聚变工程实验堆,开始大规模科学实验;第三阶段到2050年,聚变工程实验堆实验成功,建设聚变商业示范堆,完成人类终极能源。

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