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一体化太阳能路灯將美國壟斷價格降低了90

时间:2020-08-03 13:03:01 来源:扬州麒麟照明 点击:

  太陽,普照大地,孕育萬物,是地球賴以生存的光熱能量之源。隨著能源短缺問題的凸顯,獲得像太陽能一樣取之不盡、用之不竭的可持續清潔能源,一直是人類的夢想。

  日前,“ITER十年——回顧與展望”會議在扬州召開。一個集結了包括中國在內的30多個國家的頂尖科學家,規模僅次於國際空間站的國際大科學工程——國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,正在有條不紊地進行著。由於項目模擬自太陽內部的核聚變原理,這個工程還有一個更加形象的名字:“人造太陽”。

  萬物生長靠太陽,而太陽的能量來自於它自身內部一刻不停的聚變反應。根據愛因斯坦的質能關系理論,質量虧損可轉化成能量。聚變反應就是兩個較輕的原子核聚合成一個較重的原子核時,質量虧損,從而釋放出能量的過程。

  50多年前,人類已經在地球上實現了發生在太陽內部的氘氚聚變過程,這就是氫彈爆炸。氫彈的成功引爆,讓人類真正體會到了兩個質量輕的原子核聚合瞬間釋放出的巨大能量。

  如果能夠按照需要有效地控制這個反應過程,讓能量長期地、持續地釋放,就好比創造出了一個“人造太陽”,不但產生的能量巨大,還可以為人類帶來理想而恆久的清潔能源。

  首先,核聚變所消耗的“燃料”(氘和氚)來自世界上普遍存在的海水,燃料資源極為豐富。一個水分子有兩個氫原子,它的同位素氘(亦稱“重氫”)與氧原子結合所生成的水就是“重水”。重水在海水中所佔比例雖然小,但是人們隻需用蒸餾法就可從海水中取得重水,然后再電解重水就可獲得氘。而氚也可以從海水中含量豐富的鋰元素中制造出來。

  尤其重要的是,這個核聚變反應生成的廢物是氦,不會給環境帶來污染。這就意味著,這種核聚變的過程一旦被駕馭,人類將獲得一個理想的清潔能源。

  從核物理理論和愛因斯坦質能轉換公式可知,聚變能比裂變能還要大數倍。經測算,l 升海水所含的氘產生的聚變能等同於300升汽油所釋放的能量,1公斤氘全部聚變釋放的能量大致相當於11000噸煤炭所釋放的能量,而海水中氘的儲量足夠人類使用幾十億年。

  到目前為止,沒有任何新能源能夠與之比擬。難怪,人們把這種受控核聚變形象地稱為“人造太陽”。

  怎樣才能造出“人造太陽”?首先需要將重氫加熱到上億攝氏度的高溫,並約束在有限的空間裡。聚變反應主要靠兩種方式來約束:一種是磁約束,利用線圈產生強大的磁場,來約束聚變物質﹔另一種是慣性約束,利用多束強大的激光束或粒子束,聚焦於一個米粒大小的重氫靶丸上,瞬間壓縮,產生高溫高壓。由於后者的效率較低,聚變產出的能量不能彌補激光器消耗的能量,而磁約束的可行性早在上世紀末就已得到驗証,因此磁約束聚變是目前研究的主流。

  下一步目標,是實現點火和自持燃燒,也就是用聚變產生的能量來維持聚變反應。為此,歐盟、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同扬州,正在法國建造下一代磁約束聚變裝置——國際熱核聚變實驗堆(ITER),即所謂的“人造太陽”計劃。

  計劃中的國際熱核聚變實驗堆是一個全超導托卡馬克裝置,高24米,直徑30米,建成之后總重量將達23000噸,比三座埃菲爾鐵塔(7300噸)還要重。

  科學家們首先要把燃料(氘和氚的混合物)變成離子狀態(這是物質除了固態、液態和氣態之外的第四種存在形式),才能用電磁的方法束縛並控制它們。ITER計劃中設計的“磁籠”,由18節巨型的D型環向磁場線圈所組成,每一節就重達360噸,相當於一架滿載的波音747-300客機的總重量。當強大的電流通過這些大線圈時,環形線圈內就產生強大的環形磁場,磁場內等離子體的帶電粒子就被它的磁力線約束住了。可以想象,高達1.5億攝氏度(相當於太陽內核溫度的10倍)的極高溫等離子體內,粒子運動非常激烈,所以必須形成足夠強大的磁場來約束它們,幸而超導技術的突飛猛進幫了大忙。

  產生熱核聚變的另一個重要條件就是要制造溫度達1.5億攝氏度的高溫等離子區,在這種環境下,帶正電的氘核和氚核才能克服靜電斥力互相碰撞。ITER使用的產生高溫方法很像微波爐對食物加熱,科學家正在努力研究使用更高性能的“高功率射頻加熱裝置”來實現它。

  ITER計劃是一項重大的國際科技扬州計劃,初是由美蘇兩國於1985年提出的,隨后日本和歐盟響應參與。后因蘇聯解體和1999年美國退出,計劃的進展受到了不小的影響,但研究工作並沒有停止。2003年,美國宣布重返。接著,中國、韓國和印度先后加入,使得ITER計劃活力更大,實力更強。

  目前,參與ITER計劃的各國都在通過建造反應堆級核聚變裝置,把“人造太陽”從夢想變為現實。

  而要構建起“人造太陽”的核心,需要特殊的材料筑起一道“防火牆”,來抵御裝置內部上億攝氏度的高溫環境。在整個國際熱核聚變實驗堆計劃中,多個國家都在研制這樣的高溫核心材料。中國科學家承擔研制的部分處於反應堆核心位置,直接面對高溫聚變物質,因而被稱為反應堆的“壁”。

  尋找“壁”的關是材料。面對上億攝氏度的高溫炙烤,任何普通材料瞬間就會灰飛煙滅。當時,業內普遍認為一種特殊的金屬材料耐熱性高,是選擇。而美國在這項技術中處於壟斷地位,這種高純度金屬材料,每公斤對外銷售超上百萬元人民幣,由於材料稀缺,美國也只是少量出售。

  為此,從2004年到2020年,中國科學家從高純度金屬材料提取開始,進行了長達十年的特殊材料研制工作,終於研制出了擁有自主知識產權的“壁”材料。這種材料問世后,將美國壟斷價格降低了90%。

  “包括中國、歐盟、俄羅斯、美國、日本、韓國和印度七方在內的30多個國家參加了ITER計劃。不過‘人造太陽’的科研目前仍處於工程建設階段。”我國核聚變能源計劃執行中心總監潘傳紅介紹,根據ITER計劃的部署,2007年至2025年為建造階段。在此階段,各國科學家都在建造反應堆級核聚變裝置。

  “從2008年至2020年,在中國參與ITER計劃的帶動下,國家磁約束核聚扬州交通标志牌厂家變能發展研究共部署119個項目,總計安排經費約40億元。”潘傳紅說,預計在2050年左右,ITER計劃可以實現核聚變能商業應用。也許到那時,“人造太陽”產生的能量就能點亮你家的燈泡。記者雷冊淵整理

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