【KISTI科学香氛】韩国“人造太阳”成功维持1亿度30秒！

 

 

韩国核聚变研究装置KSTAR的视图。近日，成功维持1亿度超高温等离子30秒。（来源：韩国聚变能源研究所）

 

◇聚变能源：无限清洁能源引领脱碳时代聚变能源是

 

受爱因斯坦狭义相对论揭示的质能等效定律（E= mc2 ）启发的一种能源生产方式。一个质子和一个中子的氘和一个质子和两个中子的氚碰撞形成一个氦原子。此时，由于氦原子的质量略小于氘和氚的质量，因此可以获得的聚变能量与氢原子的原子核结合形成更重的氦原子时所发生的质量损失一样多. 最具代表性的核聚变能源是太阳。在太阳内部，这些核聚变反应不断发生，产生光和热。这就是为什么核聚变技术有时被称为“人造太阳”的原因。

 

 

显示核聚变反应的图表。能量是通过氘和氚的核聚变获得的。（来源：Shutterstock）

 

作为引领脱碳时代的下一代能源，聚变能源备受瞩目。氘是核聚变的燃料，可以从海水中获得，氚是通过核聚变反应堆中称为锂的金属元素的核转化获得的。海水几乎是无限的，以人类目前使用的能源量计算，世界上锂的含量足以支持人类文明1500万年。如果我们在核聚变研究中取得成功，我们实际上是在获得无限的能源。此外，火力发电和核能发电虽然排放温室气体、微尘、放射性物质等废物，但聚变发电也是一种不排放任何危害环境物质的清洁能源。可以毫不夸张地说，核聚变能源掌握着未来人类的命运，因为它可以廉价、清洁地获取大量能源。

 

◇核聚变技术的难点

 

但是，要获得聚变能，还有很多困难需要解决。首先，为了发生核聚变，氢原子的原子核必须合并。为此，两个原子核必须靠得足够近，才能克服相互排斥的电力和相互排斥的核力。拉他们的力量，行动。这只有在原子核在一定时间内保持具有足够高动能的状态时才有可能。要在地球上产生这样的状态，需要温度比太阳高 1 亿度以上的等离子体状态。等离子体是原子核与电子分离的气态，核聚变反应发生在原子核克服排斥力，只有在超高温等离子体状态下才发生聚变。

 

然而，需要一种装置来容纳超过 1 亿度的等离子体并控制聚变反应。为此目的设计了多种方法，其中“托卡马克法”已成为主流。托卡马克最早由苏联于1951 年提出，是俄语首字母缩写词的缩写，意思是“使用电磁线圈的甜甜圈形容器”。首先，强电流在托卡马克内部流动以产生等离子体。由于等离子体是一种具有电学特性的离子，它会随着巨大线圈的磁场在甜甜圈中不断地旋转，从而引发聚变反应。

 

 

托卡马克型核聚变装置。等离子体跟随磁场在甜甜圈内不断旋转，从而引起聚变反应。

 

聚变反应堆的输出取决于它在受磁场限制的高压等离子体状态下保持多长时间。等离子体压力与等离子体密度、温度和限制时间成正比，如果满足“劳森准则”的条件，它就会进入在没有外部热量的情况下维持核聚变的“点火状态”。因此，可以毫不夸张地说，核聚变研究的成败取决于能否满足劳森标准。为了满足劳森标准，可能需要更高的密度、更高的温度和长时间稳定的等离子体状态。

 

◇韩国KSTAR到跨国项目ITER

 

韩国早在1995年就宣布开发核聚变能源，并宣布建设韩式聚变装置“ KSTAR ”（韩国 超导 托卡马克 先进 研究）。当时，只有俄罗斯、美国、英国和德国拥有核聚变研究的设备。虽然有负面意见认为韩国的技术水平不合理，但在2007年 9 月安全完成了建设， KSTAR次年，在试运行期间，它成功进行了第一次等离子生成测试，打消了这些顾虑。此后，亿度在2018年达到1.5秒， 2020年保持20秒，2021年保持30秒。

 

 

KSTAR第一次成功的等离子体产生实验。

 

特别是，去年的30秒记录要归功于一种称为“内部传输屏障 ( ITB )”的技术，该技术通过在熔炉内部构建等离子屏障来尽可能地保持高温。研究小组计划安装一个“分流器”，这是一种将聚变反应过程中产生的氦等杂质排放到聚变反应堆外部的装置。通过这个，计划在2026年延长行驶时间，保持1亿摄氏度300秒。韩国聚变能源研究所认为300秒条件是运行聚变发电厂所需的最低标准。如果能保持300秒，预计大部分不稳定元素都可以被识别出来，因为可以完全了解和控制聚变反应堆内等离子体的运动。因此， 300秒意味着即使一年365天、一天24小时建造和发电的核聚变电站也没有问题。

 

随着被认为是一种幻想能源的核聚变能源的可能性越来越近，世界各国政府以及私营公司都在投入研究。美国早在1951 年就已经有很长的聚变反应堆研制历史，主要以公私合作的形式支持聚变研究，包括材料科学、模拟、等离子体理论和管理等。它专注于开发核聚变发电所需的基础技术，例如人工智能。长期以来一直引领核聚变研究的欧洲从2005年开始积极开展聚变研究，将“ITER （国际聚变实验反应堆）”吸引到法国南部，并支付一半的建设费用。ITER是一个跨国项目，欧洲、美国、日本、中国、俄罗斯、印度和韩国参与了几十年，计划于2025年开始调试。