從石油資源到核能
第二次工業革命以後,
石油代替煤炭成為了當今社會最重要的能源。
我們穿的衣物、用的塑膠製品、農業中的化肥、汽車燃料等
各種資源都是來自於石油。國際上石油的價格直接影響著各個國家的經濟,
石油能源是否充足,直接影響著一個國家的發展。
但是
在戰爭、經濟等多方原因之下,世界多次爆發能源危機。
比如1990年,波斯灣戰爭導致石油價格暴漲。2000年美國加州電力管制政策失敗,加上電力資源供不應求,導致了加州電力出現危機。2005年,全球石油供需關係失調,石油供應量遠遠小於石油需求量,導致石油價格猛漲。
儘管石油是當今社會不可或缺的能源,但它卻是不可再生的能源。
隨著人類社會不斷髮展,科技水平的進步、人口數量的激增、汽車保有量的增加都增大了人類對石油資源的依賴。
目前石油資源的消耗量逐年上漲,石油資源的總量卻不會在短時間內增多,長此以往石油能源必定“坐吃山空”。
所以人類現在迫切地需要找到一種能夠代替石油資源的物質。
為了能夠實現全人類的可持續發展,世界各國都在積極探索其他能源。能量巨大的
核能
就成了各國爭相研發的重要能源之一。
但是目前世界上所有使用核能發電的國家都採用的是
核裂變方式
,這種方式
具有很大的危險性和汙染性,核廢料的處理成本也非常高。
比如日本就為了節省核廢料處理經費,宣稱要向大海傾倒核廢料,遭到了世界各國的強烈抵制。
福島核電站
不過還有一種能夠不產生輻射肥料的核能發電方式,它就是可控核聚變發電技術。
我國安徽省合肥市就有一枚憑藉此技術製作出了
“人造太陽”
,這枚“人造太陽
”以7000萬℃的溫度運行了17。6分鐘
,這在世界上是什麼水平呢?
人造太陽
“人造太陽”就是全超導託卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)
,它的執行原理是
在裝置內部的真空室裡加入氫的同位素氘或氚,之後裝置運作會產生等離子體。透過技術提高等離子體的密度和溫度後,它就會發生聚變反應,聚變反應過程中會產生巨大的能量。
因為其外形為環狀,所以也被稱之為
東方超環。
2021年12月30日,我國中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所傳來一則喜訊,
我國東方超環在以7000萬℃的高溫運行了17.6分鐘。這是世界上首個“人造太陽”長脈衝高參數等離子體執行超過千秒的記錄。
早在上個世紀九十年代,歐盟、美國以及日本的大型託卡馬克裝置在磁約束核聚變研究中獲得了許多重要成果。但是我國在超導託卡馬克裝置領域的研發起步比較晚,最早是將原蘇聯T7超導託卡馬克改成HT-7。
直到
2000年,我國全超導託卡馬克EAST計劃開始籌備落實。
經過近10年的籌備,
東方超環裝置終於在2006年建成並投入執行。
東方超環裝置是世界上第一個非圓截面全超導託卡馬克裝置,自誕生起就多次取得重大突破。
2009年,EAST裝置首輪物理放電實驗取得成功。
2016年,東方超環裝置在5000萬℃的高溫環境下長時間執行打破了世界紀錄。
東方超環裝置創造了新的世界紀錄,
成功實現可重複的1.2億℃101秒和1.6億℃20秒等離子體執行。
在此記錄被打破之間,世界上的同類型裝置在1億℃左右的溫度下只能執行約20秒。
東方超環裝置主要由
超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大組成部分組成。
整體裝置的主機高11米,直徑8米,重400噸。
儘管東方超環的直徑長達8米,但是它的直徑卻只有國際熱核聚變試驗堆(ITER)的三分之一左右。
不過東方超環具有更靈活的優勢,而且在科研領域的作用卻一點也不小,尤其是
此次能夠在7000攝氏度的高溫下執行17.6分鐘,注入1.73吉焦的能量,更是打破了中國超環自己在2012年創下的411秒世界紀錄
,對於中國今後在聚變工程方面的研究和探索有著空前意義。
東方超環在世界屬於什麼水平?
目前東方超環使用的是
可控核聚變發電技術
,它
最大的優勢就是它本身是清潔能源
。雖然同為核發電技術,但是
核能發電使用的原料是鈾、鈽等重元素。
這種可控核裂變技術並非絕對可控,一旦發生洩漏事故,
將會造成非常大的汙染,而且汙染的後果將會延續百年以上。
但是
東方超環的可控核聚變發電技術不會使用放射性元素,
所以也不會像核裂變那樣危險。如果實驗過程出現意外,只要簡單的操作就可以迅速降溫和降壓,核聚變過程也會立即停止。所以很多國家都有向可控核聚變發電技術領域進軍的勢頭。
但
目前世界上能夠使用射頻波加熱的裝置只有中國超環和國際熱核聚變試驗堆(ITER)。
所以說我國取得如此傲人的成績,說明
東方超環已經達到了國際先進水平。
現階段,
東方超環已經基本具備了發電能力,
下一步我國將會繼續延長東方超環的執行時間,努力實現“讓聚變能的第一盞燈在中國點亮”的宏大目標。
東方超環能夠取得如此傲人的成績離不開幕後工作人員的辛勤付出。從2021年5月28日,東方超環在經歷了98958次實驗後成功達到1。2億℃,再到12月30日實驗106915次以後運行了17。6分鐘,
僅僅間隔了216天的時間。
如果在這七個月裡,我國的科研人員每天都在不間斷實驗的話,
他們平均每天要實驗37次。
假如節假日可以休息的話,平均每天的試驗次數要超過50次。所以這次
東方超環能夠取得如此優異的成績離不開每一位科研人員的努力。
東方超環的未來
目前核聚變質能轉換的效率大概為7‰
,也就是說
1公斤燃料中只有7克燃料會完全轉換為能量
,
大約能發電1.75億度
。現在我國耗電量大約為72000億度,如果真的將此技術運用到全國範圍,那麼
我們需要42噸燃料
。
東方超環的原料是氫
,雖然看起來42噸氫非常多,但我們根本不擔心它會用完。一方面,宇宙中最常見的物質就是氫,地球的重要組成元素也是氫,我們空氣中就含有大量的氫。
另一方面,
氫氣不僅可以從天然環境獲取,還可以人為製取
。比如從焦化、氯鹼、鋼鐵、冶金等工業副產氣就可以利用電解水製取氫氣。雖然東方超環所需的燃料氫氣無處不在,但是我們在大量製備、儲存以及運輸氫氣的技術上還有待提高。
全超導託卡馬克裝置只是一個核聚變實驗堆,我國新一代的“人造太陽”已經在2021年開始實施建設,預計到2035年就會建成。
新一代的“人造太陽”是一個更大的核反應堆,是一個聚變工程專案。
電解水制氫
等新一代“人造太陽”建成以後,我國就可以在現有技術的基礎上進行實用化發電科學實驗。
預計
到2050年時,我國的新一代“人造太陽”聚變工程實驗堆就可以進行商業化用電推廣。
屆時,我們將完全掌握核聚變發電技術。“讓聚變能的第一盞燈在中國點亮”的宏大目標也將會變成“讓聚變能電燈在中國家家戶戶中亮起”的美好願景。
科技進步把地球環境破壞得“體無完膚”,土地汙染、水汙染以及大氣汙染觸目驚心。
好在人類已經發現了我們對地球造成了難以磨滅的破壞,
我們也在極力修復這顆已經傷痕累累的淡藍色星球。
現在火力發電仍然是溫室氣體排放的主要元兇
,等我們完全掌握核聚變發電技術以後,就能徹底取締這種破壞環境的發電方式。未來,科技的不斷進步一定也可以讓地球煥發新的生機!