修订核聚变基本定律 突破燃料密度极限增加能量输出
- 2022年05月19日 10:02:01来源：化工仪器网作者：羊舌木点击：4420
【化工仪器网 项目成果】核聚变是核裂变相反的核反应形式，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，并伴随着巨大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。
核聚变是未来最有希望的能源之一，涉及两个原子核合并成一个释放出巨大的能量，太阳的热量正源自氢原子核聚变成更重的氦原子。核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。与不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限、不污染环境、不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。
国际热核聚变实验反应堆（ITER）旨在复制太阳的聚变过程，创造出高温等离子体，为聚变提供合适的环境，最终产生能量。ITER计划是实现聚变能商业化必不可少的一步，其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。
等离子体是类似于气体的物质的电离态，由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成，密度仅为空气的百万分之一。将聚变燃料氢原子置于极高温度下，迫使其电子与原子核分离而产生等离子体，这个过程发生在名为“托卡马克”的环形结构内。
格林沃尔德极限一直是聚变研究的基本原则，ITER的建造也基于此。但尽管格林沃尔德的理论在某些研究中非常有效，但在某些情况下，如ITER的继任者核聚变示范电厂（DEMO），会极大地限制其运行，因为它表明不能将燃料密度增加到某个水平以上。
瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）等的国际科研团队设计了一个实验，可使用高度复杂的技术精确控制注入托卡马克的燃料量，他们在现有世界上最大的几个托卡马克装置，如位于英国的欧共体联合聚变中心开展了试验，同时分析了限制托卡马克内氢燃料密度的物理过程，以推导出一个可关联燃料密度和托卡马克尺寸的第一性原理，并使用世界上一些最大的计算机进行了模拟。
最终，他们推导出与实验结果非常吻合的托卡马克燃料极限的新方程。新方程假定，就ITER内添加的燃料而言，格林沃尔德极限可提高近两倍，这意味着ITER等装置可以使用几乎两倍的燃料来产生等离子体，从而产生更多能量，即可以在核聚变反应堆中安全地添加更多氢燃料，从而获得比之前想象的更多的能量。DEMO将以比现在的托卡马克和ITER高得多的功率运行，因此也可以增加更多燃料。
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