在托卡馬克裝置上的核聚變

2017/1/17 15:08:45

1991年11月9日，歐共體的JET托卡馬克裝置成功地實(shí)現(xiàn)了核聚變史上第一次氘-氚運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，在氘氚6比1的混合燃料中，等離子體溫度達(dá)到3億攝氏度，核聚變反應(yīng)持續(xù)了2秒鐘，獲得的聚變輸出功率為0.17萬(wàn)千瓦，能量增益因子Q（即輸出能量與輸入能量之比，Q大于1時(shí)，有增益能量輸出）值達(dá)0.11-0.12。

1993年12月9日和10日，美國(guó)在TFTR裝置上使用氘、氚各50%的混合燃料，使溫度達(dá)到3億至4億攝氏度，兩次實(shí)驗(yàn)釋放的聚變能分別為0.3萬(wàn)千瓦和0.56萬(wàn)千瓦，能量增益因子Q值達(dá)0.28。

1997年9月22日，聯(lián)合歐洲環(huán)JET又創(chuàng)造輸出功率為1.29萬(wàn)千瓦的世界紀(jì)錄，能量增益因子Q值達(dá)0.60，持續(xù)時(shí)間2秒。

1997年12月，日本宣布，在JT-60上成功進(jìn)行了氘-氘反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，換算到氘-氚反應(yīng)，Q值可以達(dá)到1.00。后來(lái)，Q值又超過(guò)了1.25，首次實(shí)現(xiàn)輸出能量大于輸入能量。

近年來(lái)，我國(guó)在受控核聚變研究上也取得長(zhǎng)足進(jìn)展。2016年11月2日消息，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體所承擔(dān)的國(guó)家大科學(xué)工程“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置EAST在第11輪物理實(shí)驗(yàn)中再獲重大突破，獲得超過(guò)60秒的穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體放電。EAST因此成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到分鐘量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

ITER計(jì)劃值得期待

1985年，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)里根和蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人戈?duì)柊蛦谭颍�在一次首腦會(huì)議上倡議開(kāi)展一個(gè)核聚變研究的國(guó)際合作計(jì)劃。1987年春，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)總干事邀請(qǐng)歐共體、日本、美國(guó)和加拿大、蘇聯(lián)的代表在維也納開(kāi)會(huì)，討論加強(qiáng)核聚變研究的國(guó)際合作問(wèn)題，并達(dá)成了協(xié)議，四方合作設(shè)計(jì)建造國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆。

1998年，美國(guó)退出ITER計(jì)劃。我國(guó)從2003年正式加入ITER計(jì)劃談判。同期，美國(guó)重返ITER計(jì)劃。直到2007年，由中、歐、日、韓、俄、美6方組成的ITER國(guó)際組織正式成立（印度后來(lái)加入）。

ITER設(shè)計(jì)總聚變功率將達(dá)到50萬(wàn)千瓦，是一個(gè)電站規(guī)模的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。其作用和任務(wù)是，用具有電站規(guī)模的實(shí)驗(yàn)堆證明氘氚等離子體的受控點(diǎn)火和持續(xù)燃燒，驗(yàn)證聚變反應(yīng)堆系統(tǒng)的工程可行性，綜合測(cè)試聚變發(fā)電所需的高熱流與核部件，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

ITER場(chǎng)址設(shè)在法國(guó)南部埃克斯以北的卡達(dá)哈什。2008年，ITER裝置進(jìn)入實(shí)地建造階段。它占地180公頃，共由39棟建筑組成，實(shí)驗(yàn)堆主體直徑28米，高30米，聚變功率相當(dāng)于50萬(wàn)千瓦電站的核反應(yīng)堆。按當(dāng)前計(jì)劃，ITER裝置預(yù)計(jì)2019年基本建成，預(yù)計(jì)2027年開(kāi)展氘氚聚變實(shí)驗(yàn)。

國(guó)際核聚變界對(duì)ITER計(jì)劃及其后聚變能源發(fā)展比較普遍的看法是，建造和運(yùn)行ITER的科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備；再經(jīng)過(guò)示范堆、商業(yè)聚變核電站（商用堆）兩個(gè)階段，聚變能商業(yè)化將在本世紀(jì)中葉或者稍晚實(shí)現(xiàn)。