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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
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：4632
新方程假定，就ITER內添加的燃料而言，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生等離子體，從而產生更多能量。
【化工儀器網 項目成果】核聚變是核裂變相反的核反應形式，是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應形式。原子核中蘊藏巨大的能量，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清潔能源不同，聚變能具有資源無限、不污染環境、不產生高放射性核廢料等優點，是人類未來能源的主導形式之一，也是目前認識到的可以最終解決人類社會能源問題和環境問題、推動人類社會可持續發展的重要途徑之一。
國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）旨在復制太陽的聚變過程，創造出高溫等離子體，為聚變提供合適的環境，最終產生能量。ITER計劃是實現聚變能商業化必不可少的一步，其目標是驗證和平利用聚變能的科學和技術可行性。
等離子體是類似于氣體的物質的電離態，由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子組成，密度僅為空氣的百萬分之一。將聚變燃料氫原子置于極高溫度下，迫使其電子與原子核分離而產生等離子體，這個過程發生在名為“托卡馬克”的環形結構內。
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。
瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）等的國際科研團隊設計了一個實驗，可使用高度復雜的技術精確控制注入托卡馬克的燃料量，他們在現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合聚變中心開展了試驗，同時分析了限制托卡馬克內氫燃料密度的物理過程，以推導出一個可關聯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進行了模擬。
最終，他們推導出與實驗結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生等離子體，從而產生更多能量，即可以在核聚變反應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將以比現在的托卡馬克和ITER高得多的功率運行，因此也可以增加更多燃料。
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