修訂核聚變基本定律 突破燃料密度極限增加能量輸出
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】核聚變是核裂變相反的核反應(yīng)形式，是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。
核聚變是未來最有希望的能源之一，涉及兩個原子核合并成一個釋放出巨大的能量，太陽的熱量正源自氫原子核聚變成更重的氦原子。核聚變研究是當(dāng)今世界科技界為解決人類未來能源問題而開展的重大國際合作計劃。與不可再生能源和常規(guī)清潔能源不同，聚變能具有資源無限、不污染環(huán)境、不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是人類未來能源的主導(dǎo)形式之一，也是目前認(rèn)識到的可以最終解決人類社會能源問題和環(huán)境問題、推動人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。
國際熱核聚變實(shí)驗反應(yīng)堆（ITER）旨在復(fù)制太陽的聚變過程，創(chuàng)造出高溫等離子體，為聚變提供合適的環(huán)境，最終產(chǎn)生能量。ITER計劃是實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)化必不可少的一步，其目標(biāo)是驗證和平利用聚變能的科學(xué)和技術(shù)可行性。
等離子體是類似于氣體的物質(zhì)的電離態(tài)，由帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子組成，密度僅為空氣的百萬分之一。將聚變?nèi)剂蠚湓又糜跇O高溫度下，迫使其電子與原子核分離而產(chǎn)生等離子體，這個過程發(fā)生在名為“托卡馬克”的環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)。
格林沃爾德極限一直是聚變研究的基本原則，ITER的建造也基于此。但盡管格林沃爾德的理論在某些研究中非常有效，但在某些情況下，如ITER的繼任者核聚變示范電廠（DEMO），會極大地限制其運(yùn)行，因為它表明不能將燃料密度增加到某個水平以上。
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）等的國際科研團(tuán)隊設(shè)計了一個實(shí)驗，可使用高度復(fù)雜的技術(shù)精確控制注入托卡馬克的燃料量，他們在現(xiàn)有世界上最大的幾個托卡馬克裝置，如位于英國的歐共體聯(lián)合聚變中心開展了試驗，同時分析了限制托卡馬克內(nèi)氫燃料密度的物理過程，以推導(dǎo)出一個可關(guān)聯(lián)燃料密度和托卡馬克尺寸的第一性原理，并使用世界上一些最大的計算機(jī)進(jìn)行了模擬。
最終，他們推導(dǎo)出與實(shí)驗結(jié)果非常吻合的托卡馬克燃料極限的新方程。新方程假定，就ITER內(nèi)添加的燃料而言，格林沃爾德極限可提高近兩倍，這意味著ITER等裝置可以使用幾乎兩倍的燃料來產(chǎn)生等離子體，從而產(chǎn)生更多能量，即可以在核聚變反應(yīng)堆中安全地添加更多氫燃料，從而獲得比之前想象的更多的能量。DEMO將以比現(xiàn)在的托卡馬克和ITER高得多的功率運(yùn)行，因此也可以增加更多燃料。
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