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1亿度高温!中国“人造太阳”来了,代替煤和石油的人类终极能源

来源:葡京国际手机版 作者:澳门葡京国际 人气: 发布时间:2019-05-20
摘要:中科院等离子体所11月12日发布消息,我国大科学装置“人造太阳”日前取得重大突破,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首次达到1亿度,获得的多项实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚

中科院等离子体所11月12日发布消息,我国大科学装置“人造太阳”日前取得重大突破,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首次达到1亿度,获得的多项实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步,也为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。在中科院SELF讲坛,中国工程院院士李建刚也曾分享过他对“人造太阳”的展望。

李建刚 ,中国工程院院士、中科院等离子体物理研究所研究员

人造太阳 受控的核聚变装置

大家都知道太阳,但什么是人造太阳?看过钢铁侠的人都知道,钢铁侠里面有一个人造太阳叫托卡马克,像一个磁线圈一样。如果把气体加热到上亿度,它就会发生聚变,可以像太阳一样发出巨大的能量。

如果是现实版的托卡马克的话,中国有两个人造太阳,一个在合肥,另一个在成都,分别叫合肥超环和中国的环流器1号。

太阳为人类产生了很多光和热,万物生长靠太阳。我们想要实现聚变,一个不可控因素就是氢弹。氢弹不能轻易地爆炸,要用原子弹去把它点一下,点到上亿度以后才有可能发生爆炸。

为什么要人造一个太阳?

那么怎样能够实现人造太阳?要把上亿度的温度装到任何容器上都会顷刻之间烟消云灭。于是科学家就想了一个办法:把一团火球——上亿度的等离子体,用磁的方法把它悬浮起来,跟周边的任何容器材料不接触,这个时候就可以把它加热、控制,进而造出太阳。它的模样就像你们吃的甜圈圈。

用这些非常复杂的仪器把上亿度的东西放在中间持续地加热,讲讲很容易,但实际操作非常难。

首先我们需要巨大的磁场,这个磁场要比地球南北级的磁场高两万倍以上,磁场越强越容易收得住。人类之所以没有遭到来自太阳风这种粒子的损害,主要就是靠磁场把这种带电粒子无形之间屏蔽起来。

所以现在要做的就是产生比地球高上万倍的磁场,让这团气体悬浮起来。用的燃料是什么?是海水里面氢的同位素——氘和氚。海水里面的氘有多少呢?它可以让一千个电站使用上百亿年,也就是说该资源是无限的。如果用爱因斯坦的公式计算的话,一杯水里面产生的氘和氚是E=mc2 ,相当于300公升汽油。

它的好处在哪里?首先它没有高放的废料,而我们现在用的裂变电站都是化石燃料,尤其是235,238。一旦发生事故,就会有长达上百万年的放射性废料。

聚变的产物是什么?就是能源中子和氦气。氦气是非常清洁的,当年习总书记实地参观时就问:为什么说聚变是固有的安全性?那时候距离福岛发生核事故刚刚一个月。

它导致事故的概率非常小,只有同时碰到地震和海啸才有可能发生,或许上万年才会出现一次。但现实中最有可能发生的不是这个,而是恐怖分子——可能恐怖分子开个飞机就把它炸了,但聚变电站不怕,因为它聚变的产物就是氦气,只要一停机就没有了。

总结一下,作为资源来讲,它是无限的同时又是清洁的,所以长期以来被科学家认为是未来人类终极能源之一,可以大规模生产。未来可能有20%的可再生能源,但最大规模的一块,即80%一定是靠聚变来维持的。

这个太阳怎么造?

一个一百万千瓦的电站,上海一年大约只需要两个。聚变电站需要多少东西呢?一年一个电站只需要一百公斤的重水和锂;如果换成煤电站的话,一个一百万千瓦的电站需要50万吨煤;如果是核电站的话就需要30吨。

(聚变堆工作原理 图片来源于李建刚)

这就是聚变电站的原理。首先你要有磁笼子,用它形成一个等离子体,再用非常高的温度把它加热到上亿度,加热到上亿度以后就会产生氦和中子,中子就跑到包层材料里进行加热。加热以后,我们通过水把它转换成蒸汽,再通过蒸汽把电给发出去。这就是一个简单的聚变发电原理。

人类在这个方向一共做了50年,进展还是挺大的。我们知道,计算机每1.8年CPU的速度翻一倍,而聚变的发展速度基本上能做到跟它一样快,甚至比它快两个月,差不多16~17个月左右的时间,它的综合参数也能够翻一倍。

聚变最大的问题就是离实现还很遥远,没有像计算机这样家喻户晓。但可以说,聚变在过去50年中已经发展得非常非常快了。几个代表性的成就是在一些发达国家,像美国、欧洲和日本,他们在一些大装置上都同时实现了可控的核聚变。

什么叫可控的?就是跟人没有关系。科学就是可重复,不管是谁去做都是同样的结果,跟仪器没有关系。只要是一样的仪器,美国的人造太阳、欧洲的人造太阳还有日本的人造太阳,结果都是一样地可重复,这就是科学。

我国做到了输出的能量和输入的能量之比等于1.25,即已经有了净输入。这是什么意思?就是说从科学上已经验证了这是可行的,但是工程上可不可行还不知道。

我们产生的磁笼子是用常规铜线做的,消耗了大量的能量。怎么才能不消耗能量呢?如果把温度降下来,一旦电阻等于0的话,消耗的能量顷刻之间就降到0,那么我们就非常容易地拿到了聚变能量。

说起来容易做起来难。我国很多年前就开始做聚变了。托卡马克不是中国人的发明,是苏联人的发明,他们概在1989年的时候有意把一套马克装置送给中国。当时我们所长说这是一个很好的机会,因为当时我们啥都不会。于是就用400万人民币的羽绒、瓷器、中国家具换来了一个1800万卢布的装置。

当时这个装置还是比较好的。为什么?因为在那时候,一个卢布相当于3.6美元,我们花了一年半的时间把它全部拆掉,又花了两年的时间把它装起来,在这上面做了大量的实验,应该说还不错。其他国家在这个装置上面都只能做几秒钟高温,而我们最多能做到60秒钟一千万度,因此成为了全国的十大新闻。

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