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这是一条超200000000℃的新闻 打造一座磁笼子“驯

时间:2019-09-02 16:45来源:科学
【国际原子能机构网站2002年报道】据美国核能研究院估计,2001年,放射性材料(不包括与核电相关的产品)的销售额为3307亿美元,日本为695亿美元。因为用于聚合的离子束处理和辐射

【国际原子能机构网站2002年报道】 据美国核能研究院估计,2001年,放射性材料(不包括与核电相关的产品)的销售额为3307亿美元,日本为695亿美元。因为用于聚合的离子束处理和辐射加工的加速器技术在汽车轮胎和半导体工业中是关键的加工技术。 1. 研究堆 现在世界上有277座运行中的研究堆和多于17座计划中和建造中的研究堆。发达国家运行中的研究堆数目在1975年达到最高值,为328座,现在大约有192座。发展中国家的研究堆数目一直呈增长趋势,现在为85座。研究堆的用途从最初30年为核物理研究提供重要信息,支持核电发展转变到教育、材料研究开发和同位素生产。因为核能基础研究的需要在逐渐减少,大部分运行中的反应堆已经变为服务收费设施,主要工作是为多种用户进行放射性同位素生产、放射线照相、半导体掺杂和中子活化分析。同时这些研究堆还继续承担传统的教学和培训工作。 研究堆的设计是多种多样的,所使用的燃料元件类型也是多样的。现在世界上运行中的研究堆的热功率大部分在100 kW以下。如图1所示,在发展中国家,85座研究堆中的33座均在此范围内。图2表明发展中国家研究堆的堆龄分布。小型反应堆的堆芯不需要频繁换料,所以乏燃料的处置便显得不那么重要。为了减少并最终消除高浓铀在研究堆中的应用,美国建立了研究和试验堆燃料低铀化计划,这个计划自创建之始即得到了国际原子能机构的大力支持。现在俄联邦也是该项目的一个合作伙伴。 同位素生产主要在1 MW或功率更高的研究堆中进行。现在,世界上73座反应堆可以生产同位素,其中6座是高通量(>5×1014 n/cm2/sec)堆。一些动力堆也可以进行同位素生产(主要进行钴-60的生产)。图4表明经济合作与发展组织成员国和非成员国的同位素生产反应堆的功率分布。由图可看出,大约一半的反应堆功率在5 MW~30 MW之间,其中一半的寿期已超过35年,但30%已经进行了升级改造。澳大利亚和法国境内的两座反应堆将被关闭,新的反应堆将取而代之。加拿大计划新建一座高通量研究堆(3×1015 n/cm2/sec),预算费用为4.66亿美元,目的是用来进行材料研究。 随着研究人员继续使用具有最高中子注量的束流线和冷中子源,未来高品质研究堆的应用将非常广泛。许多中等性能的研究堆也可以进行一些专门的和地区性的研究,如半导体掺杂、模拟核动力堆工况的测试回路、同位素生产和中子活化分析等。同时,许多研究堆继续为核电站培训科技工作人员和工程师。一些老的反应堆将被关闭,许多已关闭的反应堆需要资金进行退役(如一座功率为1 MW的TRIGA反应堆需要100~200万美元的退役经费)。现在有9座反应堆处于建设中,多于8座的研究堆处于计划中,其中包括澳大利亚的一座多用途反应堆和德国的一座FRM II反应堆(主要用于中子束研究)。加拿大新建的Maple反应堆主要用来生产同位素钼-99。 2. 加速器 尽管粒子加速器当初是用来进行核和粒子物理的研究,但是现在加速器被用于很多科技研究领域。现在全世界共有加速器约15000台。新加速器的安装速率为700台/年。图5为加速器的用途分类。由图5可看出加速器的主要应用于离子注入/表面加工和癌症的治疗。电子直线加速器广泛用来进行癌症的治疗,每年这种加速器可增加400~500台。电子加速器也可用于高等级聚合物工业,同时在医疗用品消毒、食品辐照方面的应用也越来越广泛。现在世界上有243台加速器用来生产同位素,其中211台位于OECD国家。这些加速器中56台用于普通的同位素生产,159台生产正电子发射断层技术用同位素,另外28台回旋加速器是多用途的。 高能电子加速器可作为同步光的光源。同步辐射方面的研究工作在过去20年中急剧增长,现在欧洲有5000名研究人员从事同步辐射方面的研究。世界容量由1970年的零增长到现在的200万束流线小时/a。1999年,世界上有45台加速器作为同步光源。另外有13台处于建造中,有19台处于设计和规划中。未来几年,发展中国家将至少有7台加速器运行,预计这些加速器将用于同步辐射。这些加速器主要用于生物科学研究,如了解基因和病毒的结构。 全世界大约200台加速器用来进行材料研究,另外,一些小型加速器系统可用来探测爆炸物和毒品。 展望未来,运行的加速器数目将稳步增长,应用领域将逐步扩展。这些有前途的领域包括开发新材料、环境污染研究、生物医学研究、地质学和考古定年学。加速器质谱学是现有的最灵敏的径迹分析技术。预计,未来AMS将广泛用于海洋学、古气候学和地下水文学进行径迹分析研究。 基于高能质子加速器的散裂中子源是加速器的又一个增长领域。预计,随着对强中子源的需求越来越大,散裂中子源的数目将不断增长。现在世界上处于运行中的散裂中子源有5台,另外还有3台处于建设和规划中。 3. 放射性同位素 在800种已知的放射性同位素中,有150多种可广泛用于各种用途。全世界有73座反应堆和243台加速器可生产这些同位素,生产的方法是辐照合适的靶件,然后在专用的放射化学设施中进行处理,制成具有多用途的成品。表1给出同位素及其主要用途。一些特定的放射性标记化合物可用于人体健康研究,这些化合物可集中于选定器官,帮助医生发现一些器官和骨骼中的病变或转移。基于放射性同位素的免疫方法可广泛用于测定血液和其他体液中激素和药品的浓度。同位素对医学研究也非常重要。大约30%的生物医学研究要使用同位素。美国食品和药物管理局批准的药物中的80%是通过使用同位素手段研究制成。展望未来,同位素对工业和卫生保健的影响将越来越大,随着全世界运行中研究堆数目的减少,同位素供应的可持续性和同位素的安全性将越来越受到关注。在可预见的未来,锝-99m在(成像领域仍将保持主导地位。分子生物学的发展将越来越关注同位素在疾病治疗方面的应用。急性白血病现在可以使用以放射性同位素(例如碘-131和铋-213治疗。另外,越来越广泛地用于疾病治疗的同位素是 钇-90。同位素钯-103的需求也非常旺盛,这种同位素可以用于治疗前列腺癌。铼-188也是一种非常有前途的同位素,尽管其生产难度较大。基于a和b发射体的放射性药物能够向癌组织投射比远距疗法高得多的剂量。常规外部照射治疗的上限为6000 rad,由放射性药物进行的目标治疗可达百万rad,并对胰腺癌这样的疾病是非常必要的。越来越多的a和b放射性同位素正在被用于治疗当中。 4. 核聚变 每年全世界用于聚变相关科学和技术研究方面的经费为15亿美元。商业聚变电站的最可能的燃料为比例是50∶50的氘氚混合物。因为这种混合物在最低温度发生聚变,所释放的能量较其他聚变反应都大。聚变能的另一个优点为资源丰富,尤其是氘,因为氘可以从海水中提取。 聚变反应物发生反应需要的反应温度大约为1亿℃(较太阳内部的温度还要高),在此温度下可以发生自持聚变反应,能量输出为能量输入的数倍,物质为等离子体态。这需要特殊的技术来对等离子体进行约束,因为没有什么材料可以承受如此高的温度。有3种方法可以实现等离子体约束:重力约束、磁约束和惯性约束。现在最成功的方法是使用托卡马克磁环,这种强磁场可以将圆环形的等离子体与反应堆的结构分开。在世界上许多国家运行着大约25座大型和中型的托卡马克。 现在大部分的实验和理论研究工作均集中于国际热核实验反应堆项目。国际热核实验反应堆项目基于托卡马克的概念,是一个国际合作项目。该项目的目的是研究等离子体的燃烧,并证明利用聚变产生电能是安全的,并且对环境非常有利。未来,聚变反应产生的高强度中子流可以用来燃烧长寿命裂变产物。最近ITER取得的成果包括完成了一座聚变反应堆的工程设计工作。这项工作由ITER联合组和ITER成员国(欧洲、日本、俄罗斯和美国)共同合作完成,国际原子能机构提供赞助。这种设计预计每个脉冲可产生500 MW的聚变能,并可持续数分钟。输出与输入能量的比率大于10。1992年开始的工程设计活动,在技术研发方面已经花费了8.3亿欧元。 为了共同合作完成ITER项目,已经开始进行政府间讨论,包括费用分担和场址选择。加拿大提供的一处场址位于安大略湖的达灵顿核电站附近,另外提供的场址还包括位于法国的卡达拉希,日本也提供了场址。预计ITER项目将耗资35亿美元,建造工作最早在2003年开始。 其他的等离子体约束方法也正处于研究中,包括非托卡马克磁性约束装置和惯性约束装置。最早的一个例子是仿星器项目,现在正在德国的Greifswald建造,将耗资3.25亿欧元。法国、日本和美国均在建造大型的惯性约束装置。例如正处于建造中的美国国家点火装置将花费数十亿美元,192束1.8 MJ的激光设施正由加利福尼亚的利弗莫尔实验室建造。

“人造太阳”装置中的等离子体的温度可以达到1亿度以上,那比太阳的温度都要高上10倍,目前没有任何已知材料能抵挡这样的温度。

  一个旨在最终解决人类能源问题的宏大计划正在推进当中,中国在其间已经担当重要角色。

而全世界科学家正在共同努力的,是让这股能量变得可控——受控核聚变到底有何魔力,竟吸引全世界最聪明的“普罗米修斯”们竞相“盗火”?

  这一计划的正式名称是国际热核聚变实验堆项目(简称“ITER”),俗称“人造太阳”计划。基于核聚变反应堆的聚变电站是解决人类未来能源问题的一个希望。

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  科学家设想,核聚变产生的能源能够走入寻常百姓家,人类一开灯,就是核聚变产生的电力。

氢弹爆炸人造太阳理想的“未来能源”

  中国在这一研究领域已经进入了国际先进水平。1月13日,胡锦涛总书记来到位于安徽合肥的中国科学院等离子体物理研究所,详细了解这里的超导托卡马克核聚变实验装置的有关科技问题。

上世纪三四十年代,随着核裂变技术的实践和核聚变反应的发现,同样建立在爱因斯坦质能方程E=mc²上的核聚变反应就开始被视为取之不尽用之不竭、安全且清洁的“未来能源”。

  “人造太阳”计划离真正的商业运行有多远?在能源危机日趋严重的今天,核聚变研究对于终极解决人类能源问题有何意义?近日,本报记者来到合肥“科学岛”进行采访。

其原因是,与依靠链式反应产生能量的核裂变相比,核聚变反应发生在原子核发生聚变时使部分质量转化为能量释放,而它所使用的原料在自然界中储备丰富且没有放射性——氘——氢的同位素,其在海水中几乎取之不尽。

  近日,ITER项目即将在法国动工的消息,让“人造太阳”计划进入公众视野。位于安徽省合肥市西部的“科学岛”,吸引了众多关注者的目光。

之所以这样说,是因为在海洋中每6500个氢原子就有1个氘原子,也就是说仅在一升海水中就有1.03×10^22个氘原子,即每1Km3海水中氘原子所具有的潜在能量相当于燃烧13600亿桶原油的能量,这个数字约为地球上蕴藏的石油总储量。

  人造太阳

而从一升海水中提出的氘,在完全的聚变反应中则可以释放相当于燃烧300升汽油的能量。而这一切的发生并不会产生具有放射性的核废料。托卡马克让人造太阳无处可逃的磁笼子

  核聚变装置工作原理和太阳工作原理相似,能量能转化为电能

上世纪五十年代,前苏联莫斯科库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人发明了一种环形装置,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境,并实现人类对聚变反应的控制。

  “科学岛”是中国核聚变研究的重要基地,世界上第一台全超导托卡马克核聚变(EAST)实验装置就是在这个岛上研制成功的。

这种装置被命名为托卡马克,来源于环形、真空室、磁、线圈,用以指代环形磁约束受控核聚变实验装置,中文又称其为环流器。

  一年多以前,中国科学院等离子体物理研究所历时8年研究开发的EAST实验装置首次成功试验。通过这一装置,科学家能够对受控核聚变开展探索性的实验研究,从而为未来稳定、安全、高效的商业核聚变堆提供物理和工程技术基础。

托卡马克就像一座为人造太阳量身打造的磁笼子,把核聚变产生高温高压等离子体约束在无形的磁场中。

  EAST超导托卡马克运行总负责人、东华大学教授罗家融解释说:“从能量概念的角度,这个装置被形象地称为人造太阳。太阳是一个巨大的发光体,同时释放出大量能量。核聚变装置就是要模仿太阳的环境,使之产生核聚变反应,产生中子,然后释放出能量。”

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  核聚变装置的工作原理和太阳有着异曲同工之妙。太阳巨大的能量来自核聚变反应。在太阳的中心,温度高达2000万摄氏度,在高温高压条件下,氢原子核聚变成氦原子核,并释放出大量能量。

2018年11月14日拍摄的全超导托卡马克装置EAST

  科学家发现,在人类比较了解的聚变反应中,氢的两种同位素氘和氚的聚变效率最高,氘和氚结合变成氦,同时能释放出巨大的能量。这些能量在转化后,可以成为电能等各种能量。这就是人造太阳的原理。

目前,托卡马克装置中等离子体约束已取得明显效果,等离子体温度可达到上亿度,意味着产生核聚变能量的科学可行性已经被证实了。

  但“人造太阳”并非高高悬挂在空中,而且EAST实验装置与真正的人造太阳相差甚远。EAST实验装置的核心部件是一个高12米、重400多吨的落地圆柱体大容器,它被安置在一栋封闭的建筑物内。

然而,实验相关成果都是以短脉冲的形式产生,距离可连续运行的商用反应堆还有很大的距离。同时,反应的自持力也有待验证——自持指反应发出的能量可供应其自身运行所需的能量。托卡马克也还有很长的路要走。ITER计划中国承担9%研发

  昂贵设备

2006年,中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯及美国七方共30多个国家共同启动国际热核聚变实验堆计划,也称ITER计划,是目前国际上规模最大的国际大科学工程计划之一。是为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划,目的是建造托卡马克型聚变实验堆。

  建成花了3.2亿元,外围装备花了1.95亿元,每年需要3600万元运行费

其中,中国承担了9%的研发任务,覆盖了ITER的部分核心部件研发。目前,中国的采购包不管是研发的进度还是完成的质量,都走在世界的前列。

  1月17日,记者走进EAST实验大厅,工作人员正在忙碌着。几天前,胡锦涛总书记来到这里,详细了解超导托卡马克核聚变实验装置的科技问题。

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  记者在现场看到,“人造太阳”实验装置的核心部件是一个巨大的容器。在这个大容器的附近,放置着一些辅助设备。“几年后如果你再来,你会看到在核心部件的旁边,铺满了各种各样的外围设备。”罗家融说。

ITER实验基地的磁体线圈制备车间,其中不少设备由中国提供。孔帆摄。等离子参数提升至近堆芯水平

  罗家融告诉记者,这个实验大厅于2001年开始建造,包括设备所在的大楼在内,共耗费了5年的建造时间。大楼的顶层和天花板都浇注了水泥,在顶层和天花板的水泥之间,灌注了1米深的水。“水是用来防范中子辐射的,它吸收中子辐射特别快。”罗家融解释说。而在大厅的下方,还有4米深的地下室。

据了解,这次完成总体安装的中国环流器二号M装置是HL-2A的改造升级装置,也属于托卡马克核聚变实验研究装置。

  解决能源危机

中国环流器二号M装置的建造目的是研究未来聚变堆相关物理及其关键技术,研究高比压、高参数的聚变等离子体物理, 为下一步建造聚变堆打好基础。

  “人造太阳”一旦商用化,人类将不必再担心能源问题,但它不是永动机

中国环流器二号M装置将在高比压、高参数条件下,研究一系列和聚变堆有关的工程和技术问题。瞄准和ITER物理相关的内容,着重开展和燃烧等离子体物理有关的研究课题,包括等离子体约束和输运、高能粒子物理、新的偏滤器位型、在高参数等离子体中的加料以及第一壁和等离子体相互作用等。

  “这是一个耗资巨大的项目,从申请到建成,花了3.2亿元人民币。后来又申请了1.95亿元做外围装备。此外,每年需要大约3600万元的运行费。它一运行,就要持续两个月。今年5月份开始,它要开始做实验。”罗家融告诉记者。

而从直观的指标上来看,中国环流器二号M装置将能够承载更大的线圈电流,有望将电流从现有装置的1兆安培提高到3兆安培,并使等离子体参数将大幅度提高到近堆芯水平,离子温度将超过1亿摄氏度。

  “人造太阳”项目一旦实现商用化,人类将不必再担心能源问题。在投入商业运行之后,只要往设备不断输入氘和氚,在里面发生聚变反应,它就能源源不断地释放出能量,而氘可以从空气中提取,氚可以从海水中提取,廉价而且数量丰富,可以给人类使用1亿年。因此,设备也就永远转下去。

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