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《探臻科技评论》
“清华青年最关注的
改变未来十大变革科技”
榜单11月20日正式发布!
下文将按照时间顺序带您回顾1919至2021的百余年间,上榜科技“可控核聚变”的发展历程。
1919
发现轻原子聚变的依据
英国物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford)从实验证实足够大量的轻原子核可以在人工控制下相互碰撞发生核反应转化为另一种原子;同年,物理学家阿斯顿(F.W.Aston)在实验中发现He4原子的质量比组成氦的四个氢原子质量的总和大约小1%左右,其质量差和光速的平方的乘积与四个氢原子结合成一个He4时所释放的能量相当。
图源:视觉中国
1920
提出恒星能量可能来源于核聚变
英国物理学家爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)提出重要猜想:太阳的能量来自氢原子核到氦原子核的聚变过程。
1928
揭示库仑势垒隧穿效应
美国核物理学家伽莫夫(George Gamow)揭示了聚变反应中的库仑势垒隧穿效应,即两个原子核要接近至可以进行核聚变所需要克服的静电能量壁垒。
1929
理论证明了氢原子聚
变为氦原子的可能性
阿特金森(Atkinson)和奥特麦斯(Houtermans)从理论上计算了氢原子聚变成氦原子的反应条件。计算结果表明,轻原子的聚变反应需要在几千万度高温下进行。这一成果为之后的热核聚变研究指明了发展方向。
1934
首个人工核聚变反应的实现
澳大利亚物理学家奥利芬特(Oliphant)用氢的同位素氘(D)轰击氘,生成一种具有放射性的新同位素氚(T),实现首个 D-D 核聚变反应。在此后的研究中,有关 D-D 核聚变反应的研究一直是可控核聚变领域的一项重要分支。
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1938
首次提出“循环”核聚变理论
美国物理学家贝特(Hans Bethe)证明太阳能源来自它的内部氢核聚变成氦核的热核反应,他提出了“碳循环”和“氢循环”核聚变理论来解释太阳和其他恒星。基于这一贡献,贝特获1967年诺贝尔物理学奖。
1942
首次实现D-T反应
美国普渡大学的施莱伯(Schreiber)和金(King), 用氢的同位素氘(D)轰击同位素氚(T),实现首个D-T核聚变反应。在此后的研究中,有关D-T核聚变反应的研究一直是可控核聚变领域的一项重要分支。
1952
首颗氢弹爆炸
通过科学家们不断的努力实验研究, 终于在西太平洋埃尼威托克岛秘密爆炸了一颗氢弹,爆炸时产生的巨大能量标志着人类成功的实现了不可控核聚变。此时,科学家们提出了新的问题:如何能够使核聚变缓慢地释放聚变能, 能够像核裂变一样转换成电能为人类提供生产生活所必需的能源?
1957
第一次原子能国际大会召开
20世纪50年代的时候,世界上很多国家都秘密地展开了对核聚变的相关研究,各国之间的研究都是在高度保密的情况下进行。至1957年在日内瓦召开的原子能国际大会,大会正式决定展开国际合作与交流。
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1957
提出劳森判据
英国科学家劳森研究在理想循环的脉冲聚变反应堆中的能量平衡问题时,提出聚变堆中等离子体在聚变反应中提供的总能量以某一效率转换成电能,并回授给等离子体以补偿其能量损失,使得聚变反应继续进行,只有当回授给等离子体的能量不小于等离子体的能量损失时,才能进行再循环并获得能量。该假说称为劳森判据,开创了有关维持核聚变反应堆中能量平衡问题研究的先河。
1963
提出激光聚变概念
1963年苏联科学家巴索夫(Basov,Nikolai Gennadievich)和1964年我国科学家王淦昌分别独立提出了用激光照射在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想:以高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变。这一构想开辟了实现受控热核聚变反应的新途径——激光核聚变。
1968
托卡马克技术兴起
苏联物理学家在托卡马克(Tokamak)装置上取得非常好的等离子体参数,后来英国卡拉姆实验室主任亲自带最先进的激光散射设备证实了T-3托卡马克装置拥有比塔姆等报告的参数还要高的温度后,托卡马克就逐渐成为了国际磁约束核聚变研究的主流设备,同时也在世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。
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1985
国际热核聚变实验堆(ITER)
计划启动
戈尔巴乔夫与里根在日内瓦峰会上提出了在核聚变方面的国际合作,提出“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”。该计划是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。进入 21世纪后,中国、韩国和印度也相继加入ITER计划,使得该计划的研发能力得到加强。
1991 -1997
核聚变展现出工业利用前景
欧洲联合环(JET)首次采用氘氚放电,获得1.7MW的聚变功率。紧接着,在1994年,在美国的TFTR氘氚放电实现超过11.5MW的聚变功率。1997年,JET聚变功率输出16.1MW。尽管核聚变发电的输入能量大于发电量,但是这意味着核聚变存在工业利用的前景。
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2005
建成世界首个非圆截面
全超导托卡马克
中国科学院等离子体所建成了世界首个非圆截面全超导托卡马克——EAST实验装置。EAST在等离子体放电实验中,获得了稳定可控、具有大拉长比的偏滤器位形等离子体放电,并成功完成了磁体、低温、总控和保护、等离子体控制等多项重要工程测试和物理实验。这标志着我国在国际核聚变研究中占据越来越重的地位。
2015
神光-Ⅲ激光装置主机建成
由中国工程物理研究院参与建造的神光-Ⅲ激光装置主机建成并全面达到设计指标。其规模是继美国国家点火装置、法国兆焦耳激光装置之后第三大激光驱动器,目前的输出能力仅次于美国国家点火装置,同时也是亚洲最大的高功率激光装置,这标志着我国在多束组激光惯性约束方面处于领先地位。
2018
中国可控核聚变首次实现1亿度运行
通过优化稳态射频波等多种加热技术在高参数条件下的耦合与电流驱动、等离子体先进控制等,结合理论与数值模拟,中国EAST率先实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦,等离子体中心电子温度达到1亿度的成果。此次实验成果标志着中国未来聚变反应堆实验的运行迈出了关键一步。
2020
ITER开始安装
ITER计划重大工程安装启动仪式在法国该组织总部举行,并计划在2025年底首次等离子体放电,这标志着ITER由此前成员国制造零部件的建设阶段正式转换到装置组装阶段。
2021
中国核聚变稳定运行时间破1000秒
中国科学院等离子体所对EAST实验装置进行升级,并实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,为未来托卡马克聚变装置的连续运行奠定坚实的科技基础。未来EAST还将继续探索高参数长脉冲稳态运行模式,发挥连接现有脉冲放电装置和未来稳态放电装置ITER的桥梁作用。
作者 | 《探臻科技评论》编辑团队
排版 | 史永淇
审核 | 傅宇杰 陈星安 许鹤麟 程泽堃
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