彭天放得到《硬科技报告》:中国新一代“人造太阳”实现首次放电

在运用能量的维度上,我们距离终极梦想——可控核聚变还有多远。

12月4号,被称为新一代“人造太阳”的核聚变装置,中国环流器二号M装置成功实现了首次放电。这意味着,中国已经自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造和运行的相关技术,是我们在可控核聚变领域一项重大的技术进步。换句话说,我们国家距离使用核聚变作为能源发电又近了一步。

具体什么是托卡马克装置,我们稍后再讲。首先我们要知道,为什么我们要研究可控核聚变技术。简单来说,用可控核聚变来发电,几乎是人类未来能源的终极理想,它有三个非常重要的优点:

首先,核聚变过程产生的能量密度非常大。我们知道太阳发光发热的源头,就是太阳的内核在不断进行的核聚变反应。这种能量蕴藏在原子核的内部,它的能量密度是远远超过目前像是石油煤炭这样的化学能源,以及水能风能这样的可再生能源的。就拿氢元素聚变来讲,一克氢元素聚变所产生的能量,相当于8吨汽油燃烧所产生的热量。如果将来人类能用核聚变过程产生的能量发电,几乎可以说是掌握了我们在宇宙中已知的最强大的能量来源。

第二,是核聚变燃料的储量巨大。我们知道,在地球上建设可控核聚变发电站,可以使用海水中氢的同位素氘和氚来作为聚变燃料。而一升海水中大概可以提炼出33毫克氢的同位素,这个含量看起来可能不大。但是地球上有大约1400万亿吨的水,其中蕴含的核聚变原料,不仅远远大于今天地球上的石油煤炭储量,而且比现在核裂变发电站中使用的铀元素储量也要高得多。按照今天人类能量的使用速度,海水中的聚变燃料估计可以使用上百亿年,也就是可以使用到整个太阳系寿终正寝。

第三,是核聚变发电的过程非常清洁。这一点跟今天核裂变发电很不一样。核聚变发电不论是聚变燃料还是发电之后的核废料,放射性都很弱。即便发生核泄漏,也不会出现像福岛核事故这样严重的核污染事件。而且,核聚变的过程并不是化学反应,所以不会像燃烧石油煤炭一样释放二氧化碳这种温室气体,对缓解全球变暖还有非常巨大的好处。

出于这三个重要的优点,如果哪一天核聚变能够正式投入发电,几乎可以理解为一种取之不尽用之不竭的清洁能源。到时候,我们不仅很可能可以永久性地免费用电,而且像是芯片、手机、汽车甚至是水果蔬菜等等所有在生产中需要使用能量的消费品,它们的价格很有可能都会大幅下降。

听到这里有同学可能会问,既然核聚变发电的好处这么多,全世界的科学家们干脆大干快上,抓紧造出来呗。但是,制造一台能够耐受核聚变过程的核反应炉是非常困难的。

因为想要实现核聚变,需要原子具备巨大的动能进行相互碰撞,这个碰撞的动能需要大到足以突破原子外层的电磁力屏障。而我们知道原子动能的宏观表现的温度,科学家们算下来,发现为了启动并且维持核聚变反应,需要反应炉内部能够长时间维持在大约2亿摄氏度的高温。

这是一个高到离谱的温度。其实不要说2亿摄氏度了,哪怕在5000℃的温度下,地球上也没有任何一种材料能够不被融化——那怎么办呢?

这就要说到我们刚才提到的托卡马克装置了。所谓托卡马克其实是一个俄文缩写的音译,它的原义其实是环形真空磁线圈,是早在上世纪中期,就由苏联科学家们提出来的一种核聚变炉的技术模型。

它的基本原理其实很容易理解。在高中物理中我们就知道,带电粒子在垂直磁场方向运动的时候会呈现出圆周运动的状态,也就是说会原地打转。基于这个原理,如果我们把处于高温状态下,正在进行核反应的带电粒子,放到足够强大的磁场之中,就可以让核燃料一边进行核聚变反应,一边在一个环形的空间内原地打转。相当于用磁场构建出了一个肉眼不可见,但是非常坚固的能够耐受2亿摄氏度高温的反应炉,这就避免了聚变反应的高温融化反应容器的问题。

但是托卡马克装置的原理理解起来虽然很容易,但是真要把它制造出来却是非常困难的。比如,为了让装置内部达到2亿摄氏度的高温,就需要使用大概上千万瓦的微波设备对圆环的中心进行加热;为了产生足够强的磁场约束高温带电粒子,就需要由超导体构成的线圈提供强电流;再比如,托卡马克装置的内部,会不断受到高温带电粒子的冲击,需要一系列复杂的材料和内部结构,来维持整个装置的稳定运行等等。

由于无数类似上面这些技术上的难题,虽然托卡马克装置的模型已经被提出差不多70年了,但是世界上还没有任何一个组织成功制造出了能够用来进行商业化发电的托卡马克装置。

说到这里,就要提到中国这一次成功放电的环流器二号M装置了。这是我国目前规模最大、参数最高的托卡马克装置。它主要关注的方向,是一种托卡马克内部被称为偏滤器的设备。这种设备在反应炉内部的主要任务,是把核聚变反应中产生的核废料,也就是氢元素聚变成的氦元素,从高温的反应炉中剥离出来。从而让反应炉内部能够持续维持高效的核聚变反应。这就好比我们北方在吃铜锅涮肉的时候,需要把锅底下烧剩下的炭灰掏出来,火锅才能烧得更旺是一个道理。

只不过核聚变反应过程产生的“氦灰”往往还伴随着很多其他的带电粒子,以及复杂的物理反应,是我们不太清楚的。而恰恰这个掏炉灰的过程,又严重影响着反应炉的寿命,以及发电装置的可靠性。我们的环流器二号M装置,未来就是要在这些方面开展科学研究。

这一次环流器二号M装置的成功放电,并不意味着我们国家的核聚变反应炉可以用来发电了,但是它为今后真正具有实用意义的托卡马克装置打下了基础。值得一提的是,中国环流器二号M装置的背后,是我国中核集团核工业西南物理研究院的科学家们持续多年的技术创新,这也为之前一再延期的国际热核聚变反应堆计划(ITER),树立了一个好榜样。

按照目前的规划,我们人类大约会在2030年左右建成具有发电演示功能的核聚变工程反应堆,而在2050年前后有望建成核聚变发电站的原型。这又是一个有生之年值得我们期待的工程梦想。

标签: 核聚变

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