核聚变中最昂贵的物质反应中哪种物质非常昂贵需要循环利用?

  之所以开这个帖子是因为夲人看到国观里有大量的“政治宣传员”在极其无知地吹捧我国的聚变研究,甚至给人捏造一种极不现实的假象即“可控聚变似乎就要搞出来了”,这种虚假宣传对社会大众的心理认知造成了非常严重的误导因此我觉得有必要开贴澄清一些事实

  首先请大家看一则有關可控聚变的官方报导:

  中国全面升级核聚变中最昂贵的物质装置 性能提升100倍(图)

  目前,EAST正在进行全面升级预计2013年底完成。其升級前实现400秒、电子温度超过摄氏2000万度的等离子体放电升级后有望达到1000秒摄氏1亿度目标,性能提升100倍左右

  这篇新闻可以很容易地在網上搜到,不只这篇文章其他许多类似的新闻甚至是中科院等离子体物理研究所自己(正是做这个实验的科研单位),都在嚷嚷这个“400秒的等离子体放电”

  请各位仔细思考一下这个所谓的“400秒的等离子体放电”是什么意思?

  相信绝大多数人都只会从字面上去理解认为所谓的“放电400秒”是等离子体对外放送了400秒的电能,事实果真如此吗

  “等离子体放电”绝对不是对外输出电力

  恰恰相反,是外界对等离子体输入电能:加热等离子体的手段之一就是欧姆加热,即对等离子体通电借助导体(等离子体是由等量正负离子組成的气体状物质,所以其本身是一个可以通电的导体)通电时都有的电阻热效应令外界输入的电能转化为等离子体的热能

  因此所謂的“放电几百秒”,根本就不是普通大众从字面上理解的“对外发了几百秒的电”恰恰相反,是电力设施给等离子体通了几百秒的电换言之,是等离子体吸收了几百秒的电能

  这就是聚变宣传的文字游戏

  事实上聚变发电不是让等离子体神奇的发出电流,而是甴聚变产生的高能中子去轰击换能包层这样便能加热其中的工质,工质将热能带出烧水产生蒸汽,从而推动汽轮机发电---聚变等離子体要想对外发电必须加热真正的氘氚燃料,且加装换能包层和发电用的汽轮机

  但EAST既没有换能装置和汽轮机也没进行过真正的氘氚核燃烧,哪里谈得上“聚变反应产生能量”呢更别说对外发送电力了

  另外,这个所谓的“400秒”是2012年上半年的实验结果(可以参看 等离子体物理研究所 发布的官方新闻:

  这个费愈跟楼主差不多都是满嘴名词和概念的堆砌,结果仍然不能掩盖其内在的虚弱最後在漫天的飞石中带着满头大包隐遁了。


  • 老子真是笑不动了~~你除了会狗吠咬人以外还有什么本事?通篇看下来你就只会重复性的扣帽孓,什么“乱七八糟”“堆砌概念”,你吠了不下四五次搞笑的是,一旦老子让你出示相关证据你个狗B马上就怂了,真尼玛要笑死┅大堆人啊呵呵~~
  • 不必了,由您转告就足够了当然,您说服自己不是一件很容易的事情有些道路可谓“不归路”,一旦走入此路几乎没有回头的可能,因为后路被老板预先截断了“投名奖”早就交过了。那就一不做二不休您就继续走下去吧。只是看您在本楼太无聊中国人不会在这里暴露国家机密,战略性科研也不会终止
  • 更正前文笔误:“投名奖”应为“投名状”。有某类“员工”比如替美國发帖的网络写手,明明已经毫无用处老板仍然假装给他找点工作,以此为理由给他发点钱其实这笔钱不是工资,而是“保密费”昰防止该“员工”出卖老板的机密。老板多想除掉该“员工”啊只是暂时不方便下手而已。
  • @罩疯黏你别吠了   哈哈哈哈哈哈老子真胒玛要笑翻天了~~~你之前不是说我就是方舟子吗?怎么这会儿又变成“转告”啦自己“转告”自己?哈哈哈哈~~~
  • @罩疯黏你别吠了   算了伱的智商表演实在是太蹩脚了,我就提醒你一下吧:据我所知方舟子从来没攻击过可控核聚变中最昂贵的物质,当然他力挺转基因有鈳能是收受了美国方面的经济援助,但你只要稍微睁大一下X眼就能发现我在第2楼里已经揭批了美国的激光核聚变中最昂贵的物质
  • @罩疯黏伱别吠了   咋样啊?是不是觉得脸上火辣辣的早就跟你说过多次了:就你这种分不清谁是谁的智商,跑出来只有丢人现眼、徒增笑柄嘚份儿呵呵~~
  • “不必了,由您转告就足够了当然,您说服自己不是一件很容易的事情”这么简单的一句人话,您居然没看懂还喷开叻。那就请您说说:美国雇佣方舟子推广转基因食品其根本目的是什么?难道是为了增进中国人民的健康难道是为了保证中国的粮食咹全?难道是为了中国更强盛能够与美国竞争
  • @罩疯黏你别吠了 我又没说方舟子力挺转基因是对的,你老岔开话题干什么先把你自己的問题回答清楚吧:你不是YY本LZ就是方舟子吗?那你所谓的“转告”又是什么意思我们人类的话语里面,有“自己转告自己”这一说吗你居然还好意思YY什么“人话”?你知道“人话”该怎么说吗笑!

  我们认为我国下一代技术將着眼于乏燃料处理及更大范围的出口推广,终极目标是实现可控核聚变中最昂贵的物质

  0可控核聚变中最昂贵的物质之商业化,余苼可见乎

  开篇先聊聊与读者们的互动。2月我们在iAnalyst(分析师)平台上分享了对年初所发深度报告的导读,链接如下

  深度报告導读 | 颠覆、重生,在科技与产业变革中成长 (by 浙商?电气)()

  之后我们收到了一些读者(机构投资者、行业内人士居多)的反馈。不少人不约而同地感慨:预测到2070年啊!我们能活到那时候吗

  关于对能源结构图景的预测,先解释一下我们为什么要讨论到2070年的情形吧我们认为,在我国氢能和核能的安全与和平利用,大有可为《导读》里已有简述,不赘述其中,可控核聚变中最昂贵的物质嘚商业化应用将极大地挑战地球人的能源观。

  就在数日前的2017年6月10日以“未来能源”为主题的2017年阿斯塔纳专项世博会正式对外开放,咱们中国馆的主题是“未来能源、绿色丝路”并以“人造太阳”核聚变中最昂贵的物质能源为核心展示元素贯穿展览。封面配图源自網络结合相关报道,我们理解此为本届中国馆“未来能源梦”剧场展区的效果示例。

  虽然业内专家预计2050年前后可建成核聚变中朂昂贵的物质能商用电厂,但我们担心实际进度或低预期或许2070年可以实现里程碑式突破。对于生于1970年、1980年、1990年的人来说2070年TA将年满100岁、90歲、80岁,那时都已阅尽凡尘在给晚辈们讲的故事中,或许有中国在21世纪初迎接高速铁路的全民激动;专业上有两把刷子的话故事里或囿2015年前后的磷酸铁与三元锂电池之争往事,以及一代代科技工作者如何开发核能,善用其道造福人类,直至可控核聚变中最昂贵的物質提供的能量用于商业发电

  小伙伴们,保养好身体咱们都要努力活到2070年啊!

  自20世纪80年代以来,我国逐步加大对核电研究与产業化的投入并且在历经切尔诺贝利、三里岛、福岛等多起核事故之后依然保持对于核电的投入力度,在高温气冷堆、快中子反应堆、钍基熔盐堆、磁约束聚变装置等领域我国已经走到了世界的前列。我国下一代核电技术将着眼于乏燃料处理及更大范围的出口推广终极目标是实现可控核聚变中最昂贵的物质。我们预计如果新型核电技术能够进展顺利,我国将借此契机在21世纪国际新型核电系统发展领域,占据一席之地而这也将有力支撑我国核电事业的长期发展。

  1高温气冷堆技术再获认可有望成为“”出口尖兵

  高温气冷堆建设顺利推进,我国有望建成全球首座模块式球床高温气冷堆商用示范核电站华能石岛湾20万千瓦(200MW)高温气冷堆示范工程于2012年12月正式开笁建设,于2014年9月7日顺利完成常规岛FCD于2015年11月完成主变压器、辅助变压器、高压厂用变压器引入工作,于2015年12月初完成首批石墨堆内构件出厂驗收2016年10月24日,示范工程主蒸汽、主给水管道焊接异地考试顺利完成为后续主蒸汽、主给水管道施工打下了良好基础。表41为高温气冷堆礻范进度

  模块式高温气冷堆(HTGR),简称“高温气冷堆”采用耐高温的陶瓷型包覆颗粒燃料元件,用化学惰性和热工性能良好的氦氣作为冷却剂用耐高温的石墨作为慢化剂和堆芯结构,具备如下优势:

  其一具有固有的安全性。高温气冷堆的燃料外表面是耐高溫、耐腐蚀的碳化硅采取惰性气体氦气作为冷却剂,结合反应堆的巧妙设计即使遇到类似福岛事故的海啸袭击,全厂断电亦可保证反应堆不会熔化。

  其二发电效率高。燃料循环灵活转换比高,铀燃料燃耗深;热效率高

  其三,未来可拓展的应用领域广泛反应堆提供直至950℃高温工艺气体和高品质蒸汽,可用于黑色金属生产、制氢、、海水淡化等领域

  其四,多模块组合方式可灵活適应市场。高温堆通过多模块组合方式可以建设200、400、600、800、1000MW等系列装机容量的核电机组,适合建在靠近负荷中心及拥有中小电网的国家和哋区尤其适合“一带一路”沿线国家。

  我国于2000年建成世界上首座球床模块式高温气冷试验堆HTR-10其核岛设计结构如图49所示。据教育部科技发展中心网站资料HTR-10试验堆是国家863高技术研究与发展计划项目,由清华大学负责承担于1995年开工建设,2000年底实现首次临界状态2003年1月唍成72小时满功率并网发电。据清华大学核能与新能源技术研究院网站介绍其建成使我国成为世界上为数不多的掌握高温气冷堆技术的国镓之一。

  与印尼签订高温气冷堆合作协议高温气冷堆技术再获国际认可。2016年8月3日中核建集团与印尼原子能机构签署了《(行情,)集团與印尼原子能机构关于印尼高温气冷堆发展计划的联合项目协议》,双方就印尼高温气冷实验堆项目、培训等方面的合作达成初步意向標志着高温气冷堆技术海外推广又取得了进一步的实质性进展。该协议是中核建集团继2016年1月29日与沙特能源城签订MOU后的第二个合作项目协议具有完整自主知识产权的高温气冷堆技术再度获得国际认可,已成为落实我国核电“走出去”战略的重要优选堆型之一

  尽管目前峩国研发的球床模块式高温气冷堆在堆出口温度、乏燃料后处理等方面与第四代技术仍有差距,但相关研究成果将助力我国核电机组向更為安全、高效的方向发展助推我国核电关键技术国产化向前再迈一步。

  2快中子堆技术持续突破未来有望建设集装箱大小“核电宝”

  按照冷却剂不同,通常可以将快中子反应堆分为冷快堆、钠冷快堆等快堆是主要以平均中子能量0.08~0.1MeV的快中子引起链式裂变反应的反应堆,通常使用钚-239作燃料并在堆芯燃料钚-239的外围放置铀-238,钚-239发生裂变反应时放出来的快中子能够被装在外围再生区的铀-238吸收,铀-238吸收中子转化为钚-239从而实现了核燃料的“增殖”。由于铀238为大型核反应堆废料中的主要产物因此利用快中子堆发电的整个反应过程实现叻对乏燃料的深度燃烧,化废为宝大大减少放射性废物残留。快堆可将天然铀资源的利用率从目前的约1%提高至60%以上从而大大减少放射性废物量,提高核燃料利用率

  钠冷快堆技术项目推动较早,目前中国实验快堆已经实现满功率运行而霞浦快堆核电示范工程也有朢于2017年开建。其中中国实验快堆于1995年立项,热功率为65MW实验发电功率20MW,已于2010年7月21日实现核临界于2014年12月15日达到满功率运行,图50为中国实驗快堆本体;福建霞浦快堆核电600MW示范工程项目正在有序推进其由中核霞浦核电核电有限公司负责建设和运营,其中(行情,)持股55%、(行情,)持20%、華能核电持股10%、(行情,)持股10%、宁德国投持股5%如建设顺利,达到预期乏燃料处理功能后续或扩大推广。

  铅基快堆获突破未来我国有朢建集装箱大小的“核电宝”。2016年10月4日央视新闻报道,由中科院核能安全技术研究所设计研发的世界规模最大、功能最全的“铅基堆冷卻剂技术综合实验回路”和“铅基堆冷却剂氧测控技术”实验能力和运行参数达到国际领先水平,实现了核心技术自主化沿用此项技術,未来我国有望率先推出只有集装箱大小的迷你型核电源装置“核电宝”如图51所示。

  铅冷快堆相较于钠冷快堆具有更高的安全性而钠冷快堆的效率要高于铅冷快堆。

  根据中国核动力研究设计院工作人员刘兵在《钠冷与铅冷快堆热工水力比较分析》中介绍由於钠非常活泼且与水接触会发生剧烈反应,因此为了保障钠冷快堆安全性钠冷快堆的主热传输系统为钠-钠-水蒸汽三回路系统,较传统压沝堆与铅冷快堆多一级回路此外为了防止钠遇空气氧化,甚至燃烧钠冷快堆使用惰性气体氩气覆盖。

  根据清华大学肖宏才在《自嘫安全的BREST 铅冷快堆:现代核能体系中最具发展潜力的堆型》中介绍在铅、铅铋合金、以及钠中,液态金属钠具有最优异的热物理及流体仂学性能如表42所示,最适合用于快堆极高体积比功率堆芯的稠密栅格实现核燃料的高速增殖,钠冷快堆的增殖比可达1.2~1.4以上这也使得鈉冷快堆在早期发展中占得先机。

  目前我国在钠冷快堆示范推广及铅冷快堆技术攻关方面都取得重要突破,从而在快堆研发领域处於世界前列

3钍基熔盐堆研发朝既定目标稳步推进

  钍基熔盐堆使用钍-232作为核燃料,钍-232在反应堆中吸收中子后会变为钍-233钍-233为非稳定核素,其半衰期为22分钟钍-233发生β衰变在释放1个电子后变为钚-233,而钚-233亦为非稳定核素半衰期27天,同样会发生β衰变,衰变后变为铀-233从而鈳进行裂变反应,形成闭式燃料循环

  钍基熔盐堆工作原理如图52所示。

根据(行情,)相关公告钍基堆特点如下:

  第一,相较于铀资源钍资源储备更为丰富。根据美国联邦地质调查局以及世界核协会统计数据截至2013年全球钍资源储量与铀资源储量分别为1400万吨和589万吨,洏全球钍资源可开发量为铀资源可开发量的3-4倍此外天然铀中能够直接进行核裂变的铀-235仅占天然铀的0.720%,而自然界所有的钍均可用于核裂变反应据此测算铀资源储备可为人类提供更久的能源支撑。

  第二钍/铀的转换效率高,钍/铀燃料循环在热堆中和快堆中都能使用使鼡钍做核燃料可得到更高等级的能量。就单位质量所含能量而言钍是铀的约40倍,同样规模的电站钍核发的电量可以是铀核发电电量的數倍。

  第三钍/铀燃料循环产生较少的高毒性放射性核素,其核废料衰减期短只有100-300年,相对于压水堆核废料上万年的衰减期后续核废料更容易储存、对环境影响小。

  第四有利于防止核扩散,从而推动核电技术在全球范围内的推广传统压水堆核燃料中存在大量铀-238,铀-238吸收中子并在发生两次β衰变后变为钚-239而钚-239为核武器的主要,因此存在核扩散问题而钍/铀循环不产生武器级钚,因此不存在核扩散问题

  第五,钍和氧化钍化学性质稳定耐辐照、耐高温、热导性高、热膨胀系数小、产生的裂变气体较少,允许更高的运行溫度和更深的燃耗实际运行后的电价成本低,据以色列Ben-Dak/GalperinTeam相关专家成员介绍根据他们的研究,按照以色列现有技术路线的钍核发电的度電成本有望比现有的铀核电站的成本降低35%-40%

  我国早在上世纪60年代便启动了钍基熔盐堆的研究,目前由中国科学院上海应用物理研究所主要推动发展钍基熔盐核能系统我国钍基熔盐核能系统的科技目标是实现“钍基核能、无水冷却、高温制氢、小型模块”的目标。

  根据中科院上海应用物理研究所研究员、中科院先进核能创新研究院筹备组组长徐洪杰介绍我国钍基熔盐堆研发已有清晰战略目标:近期,也就是2020年前将建成世界首个10MW固态燃料钍基熔盐实验堆和一座2MW液态燃料钍基熔盐实验堆,目前已基本掌握实验堆关键技术四个原型系统研发进展顺利;中期,即到2025年建成100MW固态燃料钍基熔盐示范堆和10MW液态燃料钍基熔盐实验堆,在国际上率先实现固态燃料熔盐堆应用;遠期到2030年,建成100MW液态燃料钍基熔盐示范堆在国际上率先实现钍铀燃料循环利用。

  目前我国《能源技术创新“十三五”规划》已發布,其中提出:年完成世界首座钍基熔盐仿真堆与2MW钍基熔盐实验堆建设,总体技术水平居国际领先我们认为,我国钍基熔盐堆研发進程目标设定合理相关招标进程也在有序推进,后续钍基熔盐堆技术研发将持续推进引领国际钍基熔盐堆技术发展。

  4可控核聚变Φ最昂贵的物质未来核能发展的终极方向

  目前人类应用较为成熟的核能发电技术为核裂变发电,此外在核衰变发电领域也有相关的應用展望未来我们认为核聚变中最昂贵的物质将成为人类能源的终极解决方案,届时如果实现可控核聚变中最昂贵的物质发电人类能源供给将取之不尽用之不竭。

  核聚变中最昂贵的物质是相对于核裂变而言的另外一种核能利用途径其主要指两个较轻的原子核在一萣的条件下(超高温、高压)摆脱核外电子束缚聚合到一起形成另外一种原子核的过程,由于在这个过程当中伴随着原子质量的损失从洏能够产生超强的能量。目前主流的核聚变中最昂贵的物质反应为氘氚核聚变中最昂贵的物质反应氘氚均为氢的同位素,其中氘可以在洎然界中提取而氚也能够进行人工合成,据测算1L海水中所含氘核聚变中最昂贵的物质后所释放的能量相当于300L 汽油燃烧释放的能量与此哃时,氘氚核聚变中最昂贵的物质产物为惰性元素氦清洁无毒。

  氘氚核聚变中最昂贵的物质反应条件极其苛刻是目前限制受控核聚变中最昂贵的物质发展的主要因素。在地球上如果要想产生核聚变中最昂贵的物质需要将氘氚的温度加热到1亿度左右原子核的外层电孓与原子核分离成为自由电子团,此时的物质由带正电原子核群体与带负电的电子群体组成这样的物质被称为“等离子体”,等离子体Φ的原子核由于失去了电子束缚因而更易发生相助作用,此时才具备了核聚变中最昂贵的物质的基础由于维持氘氚处于等离子状态需偠使其保持上亿度,同时为了实现持续可控的聚变反应需要将氘氚限制在一个特定的区域内,而地球上目前已知的任何一种物质都无法承受如此高的温度因此无法使用常规方法约束等离子体。目前约束等离子体的主流的方式为磁约束即通过磁场产生的磁力对运动中的帶电粒子进行约束,由此而形成的的主流受控核聚变中最昂贵的物质装置为“托卡马克”(Tokamak)

  目前受控核聚变中最昂贵的物质装置基本上处于能量入不敷出阶段,前路依然艰辛加热和维持氘氚处于等离子体态需要较多的能量,基于目前技术水平如果要实现较长时間的受控核聚变中最昂贵的物质,能量释放还无法覆盖相应的能量投入因此受控核聚变中最昂贵的物质产业化应用还有很长的一段路要赱。

  聚变反应堆示意如图53所示

  据《中国电力百科全书:核能发电卷》(第3版)介绍,实现核聚变中最昂贵的物质能发电需要经曆六个阶段:①原理性研究阶段;②规模实验阶段;③点火装置试验阶段(氘-氚燃烧实验);④反应堆工程物理实验阶段;⑤示范电厂阶段;⑥商用电厂阶段预计到2050年前后,可建成核聚变中最昂贵的物质能商用电厂很多国家已开始制定核聚变中最昂贵的物质示范堆(DEMO)嘚发展战略或

  路线图,中国已将核聚变中最昂贵的物质堆纳入“核能发展三步走”国家核能发展战略开始进行中国聚变工程实验堆(CFETR)的设计。

  正是由于可控核聚变中最昂贵的物质产业化道路较为艰辛只有通过国际社会通力合作才能将该项事业持续推进下去,茬此情况下国际热核实验堆项目计划(ITER)应运而生。

Reactor)旨在建造、运行一个可持续燃烧的托卡马克型聚变实验堆以验证核聚变中最昂貴的物质反应堆的工程技术可行性,其由欧盟、美、日、俄、中、韩、印七方共同承担覆盖全世界主要核电国家及一半以上人口。ITER于1985年時任前苏联领导人赫鲁晓夫及时任美国领导人里根在日内瓦会议上提出并在经历一番曲折后于2005年确定建设地址为法国卡达哈什,2007年10月24日ITER组织正式成立,ITER也正式进入装置建造阶段我国作为ITER计划的主要参与方之一,承担ITER装置9%的采购包制造任务为ITER计划的顺利推进发挥了中堅力量作用。

  从上世纪60年代开始我国便已经开始了可控核聚变中最昂贵的物质的研究工作。关于未来几年对该研究的推进国家能源局于2016年底发布的《能源技术创新“十三五”规划》提出:年期间,我国将掌握磁约束核聚变中最昂贵的物质关键技术初步建立核聚变Φ最昂贵的物质工业发展体系。开展中国聚变工程实验堆的详细工程设计并结合已有物理设计数据库在“东方超环”(EAST)、“中国环流器2号改进型”(HL-2M)托卡马克装置上开展与CFETR物理相关的验证性实验;开展聚变堆关键技术预研,发展氚技术、聚变材料等ITER未涵盖的聚变堆技術惯性约束聚变能方面,围绕Z-FFR实验堆总体技术路线的解决方案重点开展局部整体点火靶、重频驱动器、次临界包层、材料等关键技术研究。

  我国已经建设多个核聚变中最昂贵的物质实验装置其中EAST装置最具特色。EAST(experimental advanced superconductingTokamak)意即先进全托卡马克实验装置如图54所示,将超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超真空集于一身其建成后也先后创造了多项核聚变中最昂贵的物质实验装置领域的世界纪录。目湔中国依托EAST 研究实现了国际可控核聚变中最昂贵的物质的多项世界纪录,我们认为未来中国将凭借在可控核聚变中最昂贵的物质技术领域的积累引领国际可控核聚变中最昂贵的物质发展。

  目前EAST为全球首个全超导托卡马克核聚变中最昂贵的物质实验装置,相对于传統托卡马克装置的特点主要有:

  其一磁场约束力更强。EAST将磁场位形从传统的圆截面变成非圆截面使得等离子体电流随拉长比例增加而增加,温度大大提高且保持稳定磁场约束性能增强1倍,同时引入偏滤器成功实现废料排出,更好实现稳态运行

  其二,产生磁场的磁体均为超导材料反应时间更长。超低温情况下超导体电阻为0,电流流经超导体不发生热损耗避免了因磁体过热而中断试验過程的弊病,反应时间从而得到拉长

  其三,建立超真空环境实现超高温与超低温集于一身。磁场内的等离子体要通过多种辅助加熱手段达到上亿度而产生磁场的超导磁体又需要保持在-269度,因此需要建立一个超真空环境有效隔绝两大系统

  根据中科院等离子体研究所相关报道,在2016年1月和11月EAST分别成功实现了电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电,以及在纯射频波加热、钨偏滤器等类似国际热核聚变中最昂贵的物质实验堆ITER未来运行条件下获得超过60秒的完全非感应电流驱动(稳态)高约束模等离子体等兩项世界纪录。这两项里程碑性的成果标志着我国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列未来有望引领国际核聚变中最昂贵的物質科技发展。

  另据(行情,)报道2016年4月25日,中科院合肥研究院等离子体物理研究所向法国聚变实验装置WEST出口首套离子回旋天线离子回旋加热天线是等离子体辅助加热的主要设备之一,结构复杂冷却管路复杂繁多,工艺技术要求高该套天线的成功研制是我国首次向法国絀口核聚变中最昂贵的物质工程技术,为法国核聚变中最昂贵的物质研究实验装置提供关键部件这也是我国首次向国际输出达到核标准級(国际业界最高标准)的核聚变中最昂贵的物质关键部件。

  我们认为EAST在未来10年间的研究推进,将对我国乃至世界掌握可控核聚变Φ最昂贵的物质技术具有深远影响前述2050年前后建成核聚变中最昂贵的物质能商用电厂的目标可以达到,将深刻颠覆全球能源供给结构

  以上内容源自(行情,)颠覆、重生,在科技与产业变革中成长 (电力设备与新能源2017年度策略报告)》(分析师:郑丹丹,数据支歭:徐智翔、高志鹏

  更多内容,请专业投资者查阅报告原文封面配图来自互联网。

  影响股价的因素很多市场有风险,投資须谨慎

核聚变中最昂贵的物质是指由质量小的原子主要是指氘或氚,在一定条件下(如超高温和高压)发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核并伴随着巨夶的能量释放的一种核反应形式。原子核中蕴藏巨大的能量原子核的变化(从一种原子核变化为另外一种原子核)往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核叫核裂变,如原子弹爆炸;如果是由轻的原子核变化为重的原子核叫核聚变中最昂贵的物質,如太阳发光发热的能量来源

核聚变中最昂贵的物质,即氢原子核(氘和氚)结合成较重的原子核(氦)时放出巨大的能量核聚变Φ最昂贵的物质不属于化学变化。

热核反应[1]或原子核的聚变反应,是当前很有前途的新能源参与核反应的氢原子核,如氢(氕)、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应(参见核聚变中最昂贵的物质)热核反应是氢弹爆炸的基础,可在瞬间产生大量熱能但目前尚无法加以利用。如能使热核反应在一定约束区域内根据人们的意图有控制地产生与进行,即可实现受控热核反应这正昰目前在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础聚变反应堆一旦成功,则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽嘚能源编辑本段核聚变中最昂贵的物质的类型  D(氘)和T(氚)聚变会产生大量的中子,而且携带有大量的能量(/thread--1.html

聚变能源或成一场涳梦:终极能源实验遭遇坎坷

地基:反应堆将坐落在493 根基柱上基柱顶端还加盖了钢和橡胶构成的减震器,以保证重达40 万吨的整个结构不受地表震动的影响  世界上最复杂的实验遭遇坎坷,通往终极能源之路何日坦平

198511月,美国“空军一号”抵达日内瓦时那里的天氣阴沉而寒冷。美国总统罗纳德·里根(Ronald Reagan)到此是为了会晤苏联新任领导人米哈伊尔·戈尔巴乔夫(Mikhail Gorbachev)里根认为,当时世界面临核战浩劫的风险佷高于是想缩减美苏两个超级大国日渐膨胀的军备库,而戈尔巴乔夫同样也意识到军备竞赛正在拖垮苏联的经济

但是,双边会谈很快陷入僵局里根在苏联历次入侵别国的问题上指责戈尔巴乔夫,而戈尔巴乔夫则抓住星球大战计划一个试图将所有来袭核弹头拦截在外呔空的野心计划,来反击里根会晤濒于破裂。到清晨5点双方同意发表一个不包含任何实际承诺的联合声明,在声明的最后几乎是脚紸的位置,里根和戈尔巴乔夫加入了一个含糊不清的保证即两国将“本着全人类的共同利益”开发一种新能源。

上述脚注最终付诸实际成为一个项目,时至今日这个项目已经演变成可谓是21世纪人类最宏大的科学活动,一场复杂实验技术的“交响乐”如果一切顺利的話,它将一劳永逸地解决人类能源危机这就是ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor),全称“国际热核实验反应堆”它要在地球上制造出太阳,消耗50兆瓦的能量却会输出10倍于此、达到500兆瓦的动力,所需要的仅仅是宇宙中最丰富的物质:氢该项目将着眼于原理论证,希望最终描绘出的技术能填满人类对能源的无尽索求。各个项目参与国的政治家对推动该项目的热情一直不减

但正如催生出该项目的首脑会谈一样,ITER也不孚众望预算已经翻倍再翻倍,工程技术上的问题又总是被一再敷衍一些技术流程也很繁琐,比如参与国不是集中资源一同开发而是先在各自国家生产零零碎碎的组件,再运到法国南部ITER所在地去组装整个过程好比一个人先从网上订购一堆螺母、螺栓和支架,然后试图在后院捣鼓出一架波音747客机来结果自然如冰上行舟,将近一年前ITER还只是地上一个10多米深的大洞直到最近才刚刚把约100多万立方米的混凝土填下去。项目投叺运行的日期也从2016年推至2018年再推至2020年底。首次净能量输出实验起码要等到2026年此时距项目开工已20年。

即便如此ITER还只是这种公认新能源嘚序幕,就算ITER获得成功之后还要建造第二代的测试反应堆,只有这些反应堆都运行正常各地才会建造能够并网发电的核聚变中最昂贵嘚物质电站。ITER只是第一步整个计划将为期数十年,甚至上百年该项目的支持者提出,从长远来看为了满足世界对能源的持续需求,ITER昰我们唯一的希望但即便是这些支持者,也不得不打消对ITER乌托邦式的期望目前看起来,该项目只是靠制度惯性维持着毕竟对各国政府而言,做一个一成不变的参与者总比成为众矢之的的退出者要容易些另一方面,该项目的每一次延期和预算超支都为批评者提供了更哆的攻击靶子他们形容ITER是一个浪费钱的怪兽,吃掉了眼下很多其他能源研究项目所急需的经费两派虽各有坚持,但有一条却是双方的囲识那就是如果最后选择了ITER,它最好成功千万不要竹篮打水一场空。

理论上核聚变中最昂贵的物质是最完美的能源。它建立在一个幾乎人所共知的物理原理之上:能量等于质量乘以光速的平方由于光速很大,所以该公式意味着只需要非常小的一点质量就能产生巨大嘚能量

所有的核反应都基于上面这条宇宙基本法则,在常见的核电站中比较重的铀原子核分裂成更轻的原子核,在此裂变(fission)过程中铀原子核有很小一部分质量直接变成能量。聚变(fusion)过程基于同样的原理但过程刚好与裂变相反,轻原子核比如氢核发生碰撞产生氦核,而氦核的质量要略小于参与碰撞的氢核质量之和消失的那部分质量就直接变成了能量。就单位质量而言聚变燃料可以释放出三倍于铀裂變的能量,更重要的是氢的贮量要远比铀丰富,而且聚变产生的氦废料没有辐射污染之虞

聚变让人着迷,”为ITER协调奔走多年的韩国科學家李秀景(Gyung-SuLee)说“它就像中世纪的人们追寻的炼金术一般,它是能源研究的‘圣杯’”李秀景是聚变能源的积极拥护者。1980年他来到美國,成为芝加哥大学的一名研究生专攻量子场论这一物理学中的硬骨头。但是美国改变了他的想法“在美国,金钱就是一切”他回憶道,而量子场论只能带来思想上的收获于是,他开始寻找一个更实用的学习目标最后选择了聚变,因为“聚变兼具科学和工程上的挑战性”而且聚变美梦一旦成真,带来的影响也是巨大的能量会唾手可得、轻贱如土,石油、天然气等化石能源将变得无关紧要世堺将为之转变。

像李秀景这样的科学家已经为聚变神魂颠倒了半个世纪在他之前,已经有很多人都宣称黎明即将来临其中有些的确是嘩众取宠之辈,更多的人不过是犯了一个简单的错误聚变桀骜难驯,自然一次次斩断了人类的梦想

最主要的困难来自这个“聚”字,洇为氢离子会相互排斥所以科学家必须将它们紧压在一起,产生聚变ITER的策略是在一个磁场囚笼中加热氢原子,它采用的磁场囚笼形式被称为托卡马克(tokamak)外形就是一个面包圈形的金属环上缠绕着一匝匝线圈。这些线圈用来产生磁场当由氢离子构成的带电等离子体被加热臸数十亿度时,磁场负责将它们紧紧地约束在一起因为这个温度能气化任何固体材料,只有用磁场来做容器

在20世纪70年代,托卡马克的湔途似乎一片光明有些研究者甚至预言,到20世纪90年代就能建造出聚变核电站来当时唯一的挑战就是,如何把研究型反应堆放大到实用呎寸一般而言,托卡马克结构越大其中的等离子体能达到的温度就越高,核聚变中最昂贵的物质的效率也就越高

然而问题渐起。等離子体内部能传导电流受自激电流的影响,等离子体会变得弯拱扭曲形成剧烈的乱流,这些乱流像鞭子一样抽打等离子体将其甩出磁笼,冲击装置的外壁于是,随着等离子体温度升高必须要有更大的托卡马克来提供额外的空间,同时还要有更强的磁场来约束等离孓体这两者都需要增大线圈中的电流,而更大的电流意味着更高的能耗结果很清楚:托卡马克越大越强,它就需要更多的能量来维持

这种正反馈意味着,普通的托卡马克装置永远也无法输出净能量对此,包括李秀景在内的研究者只知道一种招架方法:超导即利用囿些导体在很低温度下电阻消失因而没有电能损耗的特性。如果托卡马克的电磁铁使用超导材料只需注入一次电流,它就会一劳永逸地運转下去这样能耗虽然降低了,但花费却非常巨大超导体是一种特殊、昂贵的材料,而且为了维持超导状态必须用液氦一直冷却它們,使之处于非常接近绝对零度的状态

基于上述原因,早在1985年形势就非常明了那就是无论苏联还是美国,都无法建造能并网发电的大型托卡马克装置因此,ITER项目正式开始之初就是一个由美国、苏联、日本和欧洲共同参与的联合项目整个项目设计非常庞大,用到了当時最先进的技术除了超导体之外,ITER还通过高级加速器注入中性原子束来加热核心装置并有一系列复杂的天线像微波炉那样来加热等离孓体。ITER没有用普通的氢来充当燃料而采用了氘和氚,它们是氢的两种同位素与氢相比它们聚变所需的温度和压力更低。氘在自然界中楿对常见一滴海水中就含有数万亿个氘原子,但有放射性的氚则极为罕见因而价格不菲。最初估计ITER的建造费用约为50亿美元但到了20世紀90年代中期,在对装置的复杂程度进行更为详细的评估之后预算翻倍了。1998年主要基于对开支的考虑,美国退出了该项目

就在美国退絀后不久,一个受命拯救该项目的小组匆匆忙忙对其进行了重新设计将装置尺寸和预算都缩减到了原来的一半。不幸的是“由于太赶時间,重新设计时在考虑上有所欠缺”ITER的资深科学家,同时也是最初那个设计小组的成员京特· 詹施茨(Gunther Janeschitz)说参与国都在争抢装置中大部件的设计建造任务,而像引线、连接件这样的小东西却无人问津詹施茨举了个例子,“在两个部件之间本来应该有连接孔的但没有哪份采购标书具体指出了这一点”

这些沟通上的鸿沟正是ITER的苦难之源,因为ITER组织本身并不负责该装置的实际制造先期参与国如俄罗斯和日夲,希望自己的投入能为本国相关实验室的科学家所用而印度这样的新加入国,则想学习新的高端技术发展自己的工业。因此成员國提供的都是制作完成的部件(附带提供一小笔经费给统筹机构),电磁铁所用的超导线缆来自日本东芝公司但同时中国西部超导材料科技囿限公司和俄罗斯叶夫列莫夫电物理设备研究院也提此类线缆;装置所用的巨大真空室将在欧洲、印度、韩国和俄罗斯建造;加热系统则來自欧洲、日本和美国——美国于2003年重新加入了ITER项目。ITER的统筹机构需要接收来自上述国家和地区的这些部件补齐尚缺少的部件,然后把所有东西拼装成迄今为止最复杂的实验装置

与ITER临时总部相隔一条双车道高速公路就是郎司河(Durance River),河边有一座中世纪的城堡可以俯览流水茬这座城堡中,清楚地展现出ITER所面临的挑战:ITER的成员聚集于此挤在一间特意建造的会议室中,周围布满了液晶显示屏和麦克风正在召開的是一次协调会,而与会者无意让我这个记者参与其中不过在中场休息时,李秀景向我透露了会议室中上演的一场小纷争“印度人認为一条管道应该在这里截止,而其他人则认为该在那里截止”他边说边从桌上拿起一小条巧克力棒,朝着房间的另一端指了指“最簡单的解决方案是在中间截止,但技术上做不到于是我们要把这个问题交由总干事裁决。”

截止到2010ITER的总干事都是由一个让人昏昏欲睡的日本外交官池田要(Kaname Ikeda)担任。由于处理此类管道之争乏力池田在ITER委员会的压力下被迫辞职,由日本核聚变中最昂贵的物质科学家本岛修(Osamu Motojima)接任后者是ITER的资深人员,在平和的外表之下有着坚毅、果决的性格来自欧洲和美国子项目的一些资深人员则充任本岛的副手,最终他們与印度人在紧挨着会议室的一个改建而成的套间里达成了协议就在这些人争论不休时,当时还是ITER首席法律顾问的哈里·图伊德(Harry Tuinde之后怹就离开了ITER去为欧洲议会工作了)坐在院子里抽着雪茄。我问他如果本岛有权力要求各参与国提供指定部件,事情会不会顺利很多图伊德往椅背上一靠,“那基本上就把你竭力要维持的关系都弄糟了”归根结底,维系这个项目的不是ITER总干事的权威而是成员参与的意愿。

就在沟通磕磕绊绊地进行之时ITER的经费预算已经再次加倍,达到200亿美元这只是明面上的金额,由于采用了散件组装的方式来建造实際建造费用很难统计。项目的完成日期也再次向后推迟了几年

不断攀升的成本和日复一日的拖延,让反对巨型托卡马克方案的呼声日渐高涨尤其是负担了45%建造费用的欧洲。“要是我们真的想把这笔钱用来拯救地球气候、摆脱能源危机的话选择ITER这个项目显然就是个笑话,”欧洲议会绿党的能源顾问米歇尔· 拉凯(MichelRaquet)如是说欧盟目前正考虑给ITER一笔约为27亿欧元的经费,好让这个项目能按预期在2020年之前完成建造作为ITER在欧洲最主要的反对者,绿党担心这将让风能、太阳能等可再生能源丧失很多研究机会

美国只负担整个费用的9%,所以反对的声音較弱用托马斯· 科克伦(Thomas Cochran)的话来说,ITER“不构成一种威胁只是浪费钱财而已”,身为美国自然资源保护委员会旗下的一名反核斗士科克倫更愿意把精力放在反对那些会带来长期污染,或能加速核武器制造技术传播的核研究计划上美国国会对ITER的态度似有不同,作为积极鼓動核聚变中最昂贵的物质研究的美国聚变能源协会的会长史蒂芬·迪安(Stephen Dean)认为,“只能说目前没有要中止这个项目的迹象”但事无一定,今年美国总统奥巴马在缩减美国国内核聚变中最昂贵的物质研究经费的同时,大幅增加了对ITER的投入但即便这笔经费如期到位,也只囿15亿美元还不到美国应承担的设计预算的25%。其他国家在履行对ITER的承诺时也碰到了一些麻烦。印度正费力地推销着手中的合同而去年3朤,大地震破坏了日本的一些关键工厂俄罗斯驻ITER代表弗拉基米尔· 弗拉先科夫(Vladimir Vlasenkov)形容目前的情况是,“每个国家都有自己拖延的理由”說完他立马加上一句,“俄罗斯那边一切正常”

ITER能检验核聚变中最昂贵的物质是否可行,但它不能证明核聚变中最昂贵的物质是否能商業化运行反过来,我们倒有很多理由说明后者不可行最简单的理由就是聚变过程中的辐射强度非常高,能损坏象钢这样的普通物质洇此核聚变中最昂贵的物质电站需要采用一些目前还没有的新材料,才能抵挡等离子体长达数年的轰击不然反应堆就需要经常停机检修。再者燃料氚的来源也成问题,发电站必须自行制备比如利用反应堆本身的核反应过程来制造氚。

有人认为建造一台基于ITER技术的反應堆,最大的障碍在于该装置极端的复杂性那些特殊的加热系统和自制部件可能在实验中运行良好,但作为电站需要的是简单、易维护国原子能管理局总裁史蒂夫· 考利(Steve Cowley)说,“无法想象一台到处叮叮咣咣的机器怎么能日复一日稳定工作”因此,在并网发电之前还必須建造第二代的验证性反应堆——不用说,同样造价不菲考虑到目前ITER跌跌撞撞的前进脚步,在本世纪中叶之前什么也运行不起来。

尽管核聚变中最昂贵的物质能源整体发展存在着这些阻碍和不确定因素但熟悉ITER的人都认为,该项目势在必行竞争压力是原因之一。“法國看到美国参加他也肯定要参加;美国不退出,他也不会退出”科克伦解释道。从律师的角度来看图伊德认为,如果各个参与国提湔退出可能导致在未来无法获得一些新技术,这也将促使该项目继续运行

即使抛开这些冠冕堂皇的理由不谈,很多科学家内心里都觉核聚变中最昂贵的物质是满足世界能源需求的唯一希望美国重返ITER时,雷蒙德· 奥巴赫(Raymond Orbach)刚好是美国能源部的首席科学家他说自己“对世堺未来的能源需求感到惊恐,到时候从哪弄这么多能源核聚变中最昂贵的物质不会释放二氧化碳,基本上取之不竭不会对环境造成影響,你还能找到第二个么” 大多数核聚变中最昂贵的物质科学家都认为,全球气候剧变不可避免等到时过境迁,人类终尝苦果之日“我们最好已经准备好了应变之策”,这是考利的告诫秉持此念,终将得偿所愿因为我们已背水一战。

谢谢在此得看这么有价值的文嶂关于聚变发展的文章太难找了,这也是人类还没足够重视这一能源的证明(去年10月份发的文章,居然一个回复的人都没足以知道聚变研究的可怜人气度)聚变不会是一场空梦,我看到的是全球人类还没有花大精力去弄现在的研究不光是技术上的难度,还有经费、政治以及全世界人类的不重视、聚变研究人才数量的聚集度等自古以来,人类的性格就是“贱”必须有来自外界的逼迫,所以我非常迫切希望化石能源迅速消失这会带来破釜沉舟的背水一战,这个时候人类的生存潜力才会爆发出来只要人类还没放弃研究,现在的这些看似复杂的问题只不过是黎明前的黑暗罢了 

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