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修訂核聚變基本定律 突破燃料密度極限增加能量輸出
2022年05月19日 10:02:01 來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點(diǎn)擊量：4534

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(lái)產(chǎn)生等離子體，從而產(chǎn)生更多能量。

　　【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)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(lái)最有希望的能源之一，涉及兩個(gè)原子核合并成一個(gè)釋放出巨大的能量，太陽(yáng)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(lái)能源問(wèn)題而開(kāi)展的重大國(guó)際合作計(jì)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(wú)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(lái)能源的主導(dǎo)形式之一，也是目前認(rèn)識(shí)到的可以最終解決人類社會(huì)能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題、推動(dòng)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。
 
國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）旨在復(fù)制太陽(yáng)的聚變過(guò)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(jì)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(yàn)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(wàn)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(gè)過(guò)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(huì)極大地限制其運(yùn)行，因?yàn)樗砻鞑荒軐⑷剂厦芏仍黾拥侥硞€(gè)水平以上。
 
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）等的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，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?cè)诂F(xiàn)有世界上最大的幾個(gè)托卡馬克裝置，如位于英國(guó)的歐共體聯(lián)合聚變中心開(kāi)展了試驗(yàn)，同時(shí)分析了限制托卡馬克內(nèi)氫燃料密度的物理過(guò)程，以推導(dǎo)出一個(gè)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(jì)算機(jī)進(jìn)行了模擬。
 
最終，他們推導(dǎo)出與實(shí)驗(yàn)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(lái)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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