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合肥“人造太阳”做出来了吗?它是什么样子,对人类有什么作用?

这是网络上常看到网友们疑惑不解的问题,今天我们就一起来解开这个谜底。

首先要说明的是,所谓“人造太阳”不是有些人拍脑袋想象的,造出一个会发亮的小太阳,而是利用核聚变方式获得的能源,可用于发电或者作为各种动力使用。我这样说,大家就应该明白所谓“人造小太阳”对人类什么用了吧?

说穿了,“人造小太阳”就是一个核聚变反应堆。

反应堆是指能让核反应在其内部进行的装置,是指包括建筑在内的一整套设备系统。为什么核聚变反应堆被称为“人造小太阳”呢?这是因为这种核聚变的原理模仿的就是太阳。

所有的恒星,包括太阳,在其核心区域都源源不断地发生着氢核聚变,产生出巨大的能量,让恒星成为一个巨大的发光发热的等离气球,并以电磁辐射方式向将能量源源不断的释放到太空。地球能够分到太阳辐射能量的22亿分之1,才养育了亿万生命,并让人感受到风和日丽。

人类模仿太阳核聚变方式,在地球上建造核聚变的反应装置,并不断的进行试验,这种项目或工程,俗称就叫“人造小太阳”。

合肥的“人造小太阳”就是这样一个研究基地。这个基地成立于1978年9月,前身叫“合肥受控热核反应研究实验站”,后来改为“中国科学院等离子体物理研究所”,简称“等离子所”,英文缩写为ASIPP。现在,这个研究所进行的受控核聚变研究已经走在了世界前列。

人造受控核聚变与太阳核聚变的区别

核聚变是人类目前掌握的最大质能转换技术,但目前人类掌握能够成熟掌握的核聚变方式还是不可控的,这就是氢弹爆炸。这种核聚变方式“轰”的一下就没有了,是能量瞬间的释放,除了用于威慑和战争,几乎无法用于造福人类社会。

受控核聚变就是让这种聚核变能量有一个缓慢释放过程,这样就可以作为发电的能源,或者作为优质能源,用于地面交通、航空、航天等方面。说起来,太阳核聚变也是受控的,才能够缓慢燃烧100亿年。这是因为太阳核聚变受到重力约束,就是太阳巨大质量的引力向心压力,抵御着核聚变的巨大辐射压,两种压力形成一个平衡,就让太阳平稳的燃烧了46亿年,还可以再烧54~64亿年。

这个重力约束形成了3000个大气压,让核心产生了1500万度的高温,太阳的核聚变就是在这种条件下持续不断进行的。地球上人类是无法制造出那么高压力的,因此要实现受控核聚变,只能在温度提升上想办法。通过科学实验和研究,在地球条件下实现受控核聚变,至少需要上亿℃的温度。

氢核聚变,就是氢的同位素氕、氘、氚的原子核聚合成氦的聚合过程。要实现这种聚变,就必须具有剥离氢原子外围电子的条件,让隐藏在原子中心的核裸露出来,核与核之间发生碰撞和融合,氢核就会聚变成氦核,同时损失约0.7%的质量,这些质量就转化为能量释放出来。

一般来说,只要10万度高温,就可以剥离原子外围的电子。但剥离了原子的外围电子,并不等于就会发生核聚变,这是因为原子核都带有正电,同性相斥,原子核之间就存在所谓的库仑力,也就是核与核之间的斥力,让它们不接触融合。

要让它们融合,在无法加大压力的情况下就需要再提升温度。因为根据热力学定律,温度越高,粒子振动的程度就越剧烈,达到1亿℃,这些粒子的布朗运动就会达到一个疯狂水平,这样它们就不可避免在剧烈的碰撞中,无可奈何地融合起来。

受控核聚变的难点

受控核聚变需要攻克的主要难点有两点:1、如何约束受控核聚变所需的极高温度,换句话说就是用什么容器能够盛装这么高的等离子体,让它们不要到处乱跑,惹是生非;2、如何能够让输出的能量大于输入的能量,而且比例越高越好。

先说说第一个难点

地球上所有的物质,能耐受温度最高的合金是铪,熔点可达4400℃;单金属是钨,熔点为3410℃;非金属是碳,熔点为3850℃。何谓熔点?就是温度到了这么高,就融化为液态了,再高就气化了。

地球物质的耐受温度还不到1万度,而核聚变温度需要1万个1万度呢,差远了。那么用什么容器才能够“盛装”核聚变1亿度高温的等离子体呢?物质的不行,只能寻找非物质的。根据等离子体的带电性质,科学家们找到了磁约束办法。

所谓磁约束,就是通过建立一个真空磁阱,让高温等离子体约束在这个磁力陷阱中燃烧。磁力陷阱可以让高温等离子体与设备隔绝,不发生任何接触,这样,等离子体就无法融化或气化设备了。

这种设备的通用名字叫托卡马克装置,最早由前苏联发明,是世界上目前最通用的受控和核聚变实验装置。世界上还有许多国家在进行惯性约束实验,这也是一种实现受控核聚变的方法,有不同的用途,今天就不展开来说。

第二个难点

有了盛装核聚变等离子体的容器,就可以开始实验了。首先要制造出能够盛装核聚变等离子体的磁力陷阱,然后要设法让束缚在磁阱中的核燃料温度达到1亿度,这些都需要巨大能量。这些需要的能量我们把它叫做输入能量,而核聚变能够产生输送到装置外面的能量,我们把它叫做输出能量。

常识告诉我们,只有在核聚变输出的能量大于输入的能量时,这个核聚变才有造福人类的意义,否则就是得不偿失。

科学家们把这种输入与输出比称为能量增殖因子,简称Q值。Q值越大,说明输出的能量越多,效益才越好。经过测算,反应堆装置的巨大建设费用和运营费用,加上输入的能量,一般Q值要大于10,也就是输出能量是输入能量的10倍以上,才能够实现效益。

说起来容易,做起来却很难。前苏联在1954年建造出第一个托卡马克装置后,足足用了16年时间,做了无数次实验,都没能得到一点能量。

一直到1970年,苏联的科学家们才从改进了多次的托卡马克装置上,第一次获得了能量输出,而且这个输出极小极小,Q值只有10亿分之1。虽然只是得到这么一点需要极其精密仪器才能够检测出来的能量,但对于全球科学家来说,这已经是一个重大突破,至少说明了托卡马克装置是能够制造输出能量的,这个结果让全世界科学家看到了受控核聚变的希望和前景。

世界受控核聚变发展趋势

1970年,前苏联科学家在托卡马克装置里制造出了能量,给全世界的受控核聚变研究注射了一针强心剂,各国都从瞌睡中醒来,一窝蜂纷纷建设起了自己大型的托卡马克装置。这些装置主要有欧洲的联合环-JET,苏联的T20(后缩水为T15,但加了超导),日本的JT-60和美国的TFTR等等。

随着实验的进展,Q值的记录不断被刷新。1991年欧洲联合环受控核聚变反应,Q值达到了0.12;1993年,美国的TFTR实验Q值达到0.28;1997年9月欧洲联合环Q值达到了0.6,后又提升到0.65,三个月后,日本的JT-60实验,Q值实现了1,随后又实现了1.25。

Q值突破1,说明已经实现了输出大于输入,这又是一个重大进步。

世界许多国家正在联合建造一个最大受控核聚变装置,这个装置虽然主要还是采取托卡马克装置的原理,但不再是通常意义上的托卡马克实验装置了,而是一个真正意义上的国际热核实验反应堆,简称ITER。这个国际合作项目于2006年启动,有包括中国在内,美国、俄罗斯、英国、瑞士、印度、日本、韩国、欧盟等27个国家加盟。

ITER由100多万个部件组成,其中强大的超导磁体就有4层楼高,每层重达360吨。现在这个项目的建设现场有2300人在忙碌,预计在2021年完成设备安装,2025年开始进行等离子体实验,2035年进行氚聚变实验,目标是产生500兆瓦的热能或者200兆瓦的持续电能,项目总投资200亿欧元。

该项目实现的Q值目标要求>10,也就是输出能量达到输入能量的10倍以上。

中国受控核聚变的进展

中国在托卡马克受控核聚变开发上,起步较晚,第一套托卡马克装置在1974年才建成,但通过这些年努力,实现了弯道超车,走在了世界前列。

1974年以后,中国先后建成的常规磁体托卡马克装置有HT-6B、HT-6M,后来又建设了圆截面全超导托卡马克装置“合肥超环”(HT-7),还建成了世界上第一个非圆截面全超导托卡马克装置“东方超环”(EAST),在核聚变物理实验中取得了许多国际领先的成果。

2017年7月3日,位于合肥的等离子所传来喜讯,科技人员们在EAST中实现了1.2亿度稳定长脉冲高约束等离子体运行101.2秒,后来还实现了1.6亿度20秒。这是迄今世界上时间最长,也是是世界上首次实现百秒级稳定高约束的托卡马克装置。

近几年,中国还在成都建造了中国环流器二号M(HL-2M ),这是中国自主研发的一个新的热核实验反应堆。相比现有的托卡马克装置,HL-2M装置采用了更先进的结构与控制方式,相比EAST,这套装置体积更小,但等离子体腔的体积是原有装置的2倍,反应温度可达1.5亿度。这个装置于2020年12月4日建成,并实现了首次放电。

中国科技精英们没有止步于这些成就,也没有满足于参与世界最大的热核反应堆项目,而是在打造一个更加雄心勃勃的项目:中国聚变工程实验堆,简称CFETR。这个项目的实施计划是,2021年开始建设,2035年建成,并开始大规模实验,2050年完成实验。

这个项目要实现的目标是,首期实现200兆瓦的输出功率,然后通过改进在同一套设备上逐步达到1000兆瓦的输出功率,实现Q值大于25。这是一个示范项目和样板工程,对未来中国参与国际受控核聚变研究以及将受控核聚变推向社会化应用,具有重要的引领和借鉴意义。

人类为啥花这么大力气开发受控核聚变?

原因主要基于两点:第一,人类目前正面临能源危机,必须寻求新的更好更有潜力的能源,才能让人类文明不断前行,而核聚变燃料地球储量很多,可以说取之不尽用之不竭;第二,核聚变能源生产过程完全没有污染,有利于修复和保护已经被人类损害的自然环境。

先说说核聚变原料的储量

受控核聚变采用的主要原料就是氢的同位素氘和氚,这种原料在海水里存量很大,每升海水可以提取出0.03毫克的氘,这些氘通过核聚变可以产生相当300升汽油的能量。全球的海水总量为135亿亿立方米,每个立方米相当汽油300吨,海水中储存的氘就相当于汽油40500亿亿吨。

而且海水还可以提炼出氚,月球上还有大量的氦-3,这些都是核聚变的优质燃料。月球上的氦-3就可以供应人类使用1万年。

人类现在每年使用燃料相当50亿吨石油,那么按现在需求,海水中储存的核聚变燃料可以让人类使用810亿年。当然未来的人类能源需求量可能远远大于现在,这个我们今天不讨论,也不展开说。这里主要要说明的是,如果实现了受控核聚变,人类至少相当一段时期没有了能源危机的困扰。

核聚变还有一个特点就是不会产生任何污染。

这一点,比人类已经熟练应用的核裂变能源就强多了。核裂变燃料储量小,加工难度大,且具有强烈放射性等许多严重污染,世界上已经发生过多次污染事故,给人类带来灾难。前苏联的切尔诺贝利核电站爆炸导致核泄漏,受害者达到800多万人,直接死亡人数近10万人,还有27万人患上癌症。

而氢核聚变不会产生任何污染,是非常清洁高效的能源。而且相对核裂变,还具有不可比拟的安全性。核裂变是重原子核不断分裂的链式反应过程,需要严格控制其反应的速率,稍有差池就会失控,导致严重安全事故。

切尔诺贝利核电站爆炸就是由于操作失误导致核反应失控发生的。

而核聚变的持续条件要求很高,对条件变化很敏感,只要稍有变化,反应就会终止。这给实现核聚变自持反应增加了难度,从另一个方面也增加了安全性。因此,核聚变过程中,如果设备稍有故障,反应就会终止,停电断电也会停止核聚变反应。这样,核聚变很难导致安全危害事故。

受控核聚变既然有这么多这么巨大的好处,各国当然趋之若鹜了,就是再难,付出再大的代价,也要把它开发出来。这就是人类一直坚持不懈地开发了几十年,虽然很艰难,但从不放弃的原因。从目前的进展趋势来看,受控核聚变很可能还要奋斗几十年,才有可能推上民用,让我们满怀信心地期待。

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