核聚變能是人類能源的未來,世界各國有能力的國家都在爭先研究。目前可控核聚變技術主要有磁約束和慣性約束這兩個研究方向,主要研究的是聚變起點相對來說比較低的氫元素的同位素氘(D)與氚(T)的聚變反應。
在磁約束和慣性約束這兩個研究方向上,中美均有涉及,并且中美分別在這兩個不同的研究方向上各自取得了不俗的成績。
上個世紀美國也曾經花了大量的資金搞磁約束聚變研究,不過始終沒有太大的突破。目前美國主要在大力發展激光聚變技術,比如美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室的國家點火裝置(NIF)就是采用的這種形式。該裝置所使用的激光器是目前世界上最大且最復雜的激光光學系統 。
國家點火裝置可以把極強的能量通過上百條激光束聚焦到一個很小的點上,是目前世界上最大的激光聚變裝置。當然,它也可以用來研究核爆試驗。
在2022年12月中旬,美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)宣布,他們首次在可控核聚變實驗聚變點火過程中實現核聚變反應的凈能量增益,即通過核聚變產生的能量比激發聚變所需能量更多。
乍一聽,嚇一跳!實際上,他們所說的激發聚變所需的能量其實就是指的激光總能量,也就是說目前該裝置只是實現了聚變能量大于輸入的激光能量,然而整個裝置運行時所消耗的能量遠大于那些激光束的總能量,并且該聚變過程只能維持很短的時間。總之這個突破,離實用還差得遠。
我國目前在磁約束聚變技術上,取得的成就比較大,其中中科院合肥等離子體物理研究所的全超導體托卡馬克核聚變裝置(EAST)已先后實現1.6億攝氏度20秒,7000萬攝氏度1056秒的等離子體運行世界紀錄。該裝置是世界上第1個全超導托卡馬克,也因此被譽為東方超環。
說到這里,很多人以為我國的EAST已經能夠讓核聚變反應實現上千秒的運行,實際上EAST創造這些紀錄的時候,等離子體并沒有發生聚變點火。
至于激光聚變技術的研究,我國早已通過神光計劃進行布局,據說目前在該方面的研究成果僅次于美國。大多數人可能不知道,我國著名科學家王淦昌可是激光核聚變構想的提出者之一 。
在磁約束聚變領域,世界上除了有以中國為代表主要發展托卡馬克的,還有以德國、日本為代表主要發展仿星器的,不過仿星器的研究目前進展也并不大,因為仿星器雖然理論上比托卡馬克靠譜些,但也難得多。值得一提的是目前我國也已經開始對仿星器進行研究,研究裝置已處于在建狀態。
此外,由歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國和中國等30多個國家進行的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,也由于種種原因發展的并不順利 。ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克,但目前仍然還處于在建調試狀態,計劃2035年投入運行。
中美等全球許多國家和組織已投入了大量資源進行研究,研究了很多年,不要說穩定運行,聚變點火都十分困難,可見其難度真的很高。
要想使可控核聚變走出實驗室,還必須使聚變反應的輸出能量大于聚變裝置總的能源消耗,而且如何將這些能量導出來進行發電也是一個難題,因此可控核聚變技術未來很長一段時間,仍然只能停留在實驗階段,離商用還差十萬八千里,估計在2050年前都難以取得突破。
目前來看,中美雙方在核聚變領域的研究都處于世界領先水平,雙方的研究水平不相上下,至于他們誰能夠最先取得突破,讓可控核聚變技術成功由實驗室走向商用,還真不好說。中美未來被別人彎道超車也說不定!
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