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中国“人造太阳”揭秘:系核聚变方法之一,或为人类终极能源

来源:葡京国际手机版 作者:澳门葡京国际 人气: 发布时间:2019-05-13
摘要:日前,我国“人造太阳”EAST(又称为“东方超环”)首次实现等离子体中心电子温度达1亿度。 EAST是中科院等离子体所自主设计研制的磁约束核聚变(可控核聚变的方式之一)实验装置,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。 消息一

日前,我国“人造太阳”EAST(又称为“东方超环”)首次实现等离子体中心电子温度达1亿度。

EAST是中科院等离子体所自主设计研制的磁约束核聚变(可控核聚变方式之一)实验装置,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。

消息一出,很多人为之振奋。

可控核聚变被认为是人类最理想的能源之一,有人把它视为“人类终极的能源供应”,甚至认为,如果人类熟练掌握了可控核聚变技术,那么,实现星际航行指日可待!

可控核聚变为何有如此能量?人类离掌握这项改变世界的技术还有多远?

1

1升海水产生的能量相当于燃烧300升汽油!

日本有一部电影叫《生存家族》,讲述了这样一个故事:

某天清晨,东京居民醒来后发现,一切电器突然停止运转,汽车、飞机、自来水、电池、手机都无法使用。

城市居民的衣食住行每一样都离不开电,突如其来的停电无异于一场巨大的灾难。

于是,长时间没电的城市开始垃圾遍地,交通全面瘫痪,食物也都被买光了......

为了生存,人们不得不背井离乡,逃往农村。

一路上,他们不得不重新学习如何生存,一场停电引发的“末日生存战”打响。

该片告诉我们一个可怕的事实:不需要外星人入侵,不需要生化危机,不需要“猩球崛起”,断个电,我们就可以活在公元前。

如果储量有限的煤、石油、天然气等能源耗尽,就没了电,那么,我们该如何生存?

实际上,科学家早就在思考这个问题了。

早在约100年前,世界著名物理学家爱因斯坦就预见到原子核中蕴藏着巨大的能量。

1939年,美国物理学家贝特证实,一个氘原子核和一个氚原子核碰撞,结合成一个氦原子核,并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。

这个发现,揭示了太阳“燃烧”的奥秘。

后来,氢弹的研制成功,让核聚变从理论变为实践。不过,氢弹利用的是不可控的聚变反应,做武器还行,总不能用氢弹发电吧?

我们真正需要的是和平地、可控地利用核聚变,俗称“人造太阳”,澳门葡京国际,其原理类似太阳发光发热——在上亿摄氏度的超高温条件下,利用氘、氚的聚变反应释放出核能,为人类生产源源不断的新能源。

这很让人振奋!

一方面,与其他能源相比,核聚变的原料取自海水,可以说是无穷无尽。

据测算,每升海水中含有核聚变的主要原料氘0.03克,所以,地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。

1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。

如果把自然界中的氘用于聚变反应,释放的能量足够人类使用大约100亿年!

至于核聚变的另一种原料氚,虽然自然界中不存在,但靠中子同锂作用可以产生,而海水中也含有大量锂。

另一方面,可控核聚变产生的能源不会产生二氧化碳等温室气体,而且,不同于造成切尔诺贝利及福岛等核辐射事件的核裂变,核聚变几乎没有放射性危害。

也就是说,如果在实现可控,核聚变简直就是人类梦寐以求的能源圣杯!

科幻小说《三体》中描绘过这番图景:

深埋在地下的现代城市,无线供电设施遍布全城,依靠核聚变的巨大能量,农业彻底工厂化,一个星期就能收获一季粮食作物......

2

让钢铁侠飞起来的“托卡马克”

可是,要在地球上模拟太阳、使聚变稳定持续进行并不容易,必须能扛住并长时间维持上亿度的高温。

尽管人类已根据核聚变原理研究出了威力巨大的氢弹,但是,实现可控核聚变还有很长的路要走。

1957年,英国科学家提出了“劳森判据”,为可控核聚变的研究提供了量化的理论基础。

根据劳森判据,可控核聚变受等离子体的密度、温度和维持时间这三个因素影响,只要这三个因素的乘积达到一个常数,可控核聚变就能发生。

比如太阳,因为其构成物质基本上处于等离子状态,且密度极大,所以太阳中心的温度仅仅只有1600万摄氏度,就能维持长期的核聚变反应。

相反,人类虽然可用电磁、激光等技术制造出超过一亿摄氏度的高温环境,但人类制造的等离子体的密度低得如同空气,维持时间也只能达到短短数分钟(目前最高纪录不超过十分钟),所以也很难输出长期稳定的核聚变能。

难度虽然大,但是起码有了方向:只要想办法提高等离子体的密度和温度,提高等离子体的维持时间,就能实现可控核聚变。

听起来似乎也不算难,当时,科学家们顿时乐观起来,他们甚至估计,不出五十年,也就是在人类进入二十一世纪的时候,就能用上聚变能!

当时,各国都在搞秘密研究,都想成为世界上最早研究出可控核聚变的国家。毕竟,可控核聚变技术带给国家的战略利益,比核弹可大多了。

研究可控核聚变有两条独立的路径,一是磁约束,二是惯性约束。

其中,磁约束是科学家们最看重的技术路线,将等离子体束缚在巨大的磁场中加热,实现可控核聚变,并没有理论障碍,纯粹是一个技术问题。

于是,各国科学家一开始就将全部精力投入到等离子体磁场的设计中,只要能够设计出可靠的磁场,就相当于找到了一个实现可控核聚变的容器。

磁场约束高温等离子体

在这方面,苏联人走在了前列。1968年,苏联科学家提出“托卡马克装置”的构想。

事实上,钢铁侠装在胸口亮着白光的那个类似“小炉子”的装置,就是一个小型的“托卡马克”,为钢铁侠提供巨大能量。

它是用磁场围起来的,使聚变材料能在里面悬浮起来,不会被烧化,通过不断给悬浮的材料加热到上亿度,不断产生能量。

这就是科学家要的磁约束力。

苏联人拿出这个装置时,西方国家都认为是骗人的玩意。

直到英国科学家将信将疑地照着苏联人的方法,验证了这个装置的有效性,科学家们才真的“嗨”起来。

一旦核聚变被苏联率先攻克,苏联就掌握了人类通往未来的钥匙。

之前迟疑不决的西方国家和日本一哄而上,纷纷开始建造自己的托卡马克装置。

那时候,科学家们对托卡马克装置的心情,就像掉入大海陷入绝望的人,看到了海面漂来的一条竹筏!

托卡马克装置

3

为研究核聚变打造“强国俱乐部”

从此以后,托卡马克装置风靡可控核聚变研究界,磁镜、惯性约束之类都成了非主流。

近三十年来,全世界托卡马克装置加起来有上百座之多,我国的可控核聚变研究的主要成果,也是托卡马克装置研究上取得的。

相比其他国家,我国建造的托卡马克装置的时间较晚。

70年代,苏联建造了一个名为T-7的半超导托卡马克。

托卡马克装置诞生后,各国纷纷投入巨资支持本国的可控核聚变研究,还是希望能成为最快掌握可控核聚变技术的国家。

这时候,大家也不再“闭门造车”了,各种国际合作和论坛纷纷设立,各国研究人员相互分享经验,一方面让各国同行少走弯路,另一方面凸显本国科研实力。
责任编辑:澳门葡京国际

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