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可控核聚变最快2020年实现:托卡马克装置原理及进展介绍

近些年全球资源紧张的矛盾不断加剧,石油、天然气等不可再生资源迟早有用尽的一天。各国也不断加大各种清洁能源的投入,其中最具前景的核聚变,这将彻底解决人类能源问题。2017年时中国的全超导托卡马克核聚变实验装置就实现了稳定运行101.2秒,是世界上首个实现稳定运行超过100秒的装置。该装置运行温度达到了1亿摄氏度以上,是太阳核心温度的6倍,也被成为“人造太阳”。话不多说,下面介绍一下托卡马克装置的前生今世:

1.什么是托卡马克?

托卡马克(Tokamak)装置最早是前苏联20世纪50年代发明出来的,在该装置产生稳定聚变能科学上已经证明可行。但,注意是但以前由于技术限制,相关结果都是短脉冲产生,因此持续时间不长。

核聚变约束主要有两种惯性约束和磁约束。惯性约束就要用到激光,但是千赫兹的激光技术上做不到,直接pass。就只剩下磁约束了,磁约束需要有封闭的磁力线约束等离子体,所以就出现了“甜甜圈”-一系列大的通电线圈做成环形。此时,形成的同心圆磁力线,内侧磁场大于外侧,等离子体受磁力梯度影响,电荷会进行分离,导致等离子体整体向外侧漂移。如果再加一个垂直环面的磁场将等离子体向内推一推,便可将等离子体稳定。所以,托卡马克装置磁场一般都由三部分构成:环形磁场+等离子体电流磁场构成环形螺旋磁场,极向磁场(垂直环形面)控制等离子体位置。

托卡马克装置原理

2.中国的托卡马克

中国拥有全球唯一一个全超导托卡马克装置,2017年的时候实现稳定核聚变101.2秒。超导技术成功应用在核聚变中,稳定可控长时间运行将变为可能。

东方小太阳-合肥

今年6月5号,全新的托卡马克装置环流器2号(HL-2M)装置在核工业西南物理研究院成功交付,新一代的“人造太阳”开始正式总装,中国人距离核聚变清洁能源的梦想又近了一步。新的托卡马克装置HL-2M,其中的等离子体是由电子和离子组成,电子温度超过一亿摄氏度,离子温度约为5千万摄氏度。我国新的托卡马克装置规模大,参数高,等离子体电流也将从1兆培提高到3兆培,这将极其有利于核聚变关键技术的研究,最重要的是核聚变将是可控的。

最新托卡马克装置HL-2M

核聚变反应堆的设计有望在五年内完成,中国一旦成功将拥有世界上第一座核聚变反应堆。这座装置可带来巨大的能源,可以实现人类最狂野的梦想。该装置成功后,不仅提供无尽能源,还可用于军事领域,如电磁炮和激光束等,前景无限。

3.国际托卡马克装置进展

将容纳世界上最大托卡马克装置的大楼

ITER项目建筑工地侧视图

ITER项目建筑工地俯视图

等离子体流厚度将是现有最大托卡马克装置的10倍

人类历史上最大,最雄心勃勃的能源实验ITER项目建筑(地点:法国)已经完工。ITER项目始于1985年,由来自35个国家的数千名科学家和工程师参与。ITER目标输出功率500兆瓦,随着建筑的完工,该装置的数百万个部件组装预计需要5年时间。

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