21世纪,夸父逐日的故事仍在继续
发布时间:2019-06-21
出品:科普中国
制作:卜语嫣 刘晓莹 吕明轩
监制:中国科学院计算机网络信息中心

 

  去年年底,我国人造太阳获重大突破,EAST装置实现了一亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破,获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需的物理条件。坐标安徽中科院物质科学研究院的人造太阳项目沉寂多日,再次强势回归大众视野。正如外媒报道所说,中国正一步步迈向人类最狂野的能源梦想。 


(图片来源:新华社新闻客户端) 

    

  何为人造太阳 

  人造太阳有着和恒星太阳相同的核聚变原理。核聚变是指在一定条件下,质量较轻的原子核发生聚合生成质量较重的原子核,这一过程又称为热核反应。 


(图为聚变粒子示意图,图片来源 

https://gss3.bdstatic.com 

  想要在地球上实现核聚变不是件容易的事情。首先,要使核聚变反应的燃料处于等离子体态。等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。其次,热核反应,顾名思义,需要很高的温度。高温能够使等离子体中的电子获得能量从而摆脱原子核的束缚,实现原子核的完全裸露,为原子核的碰撞做好准备。此外,要想让这种聚变反应稳定、持续的进行还需要足够的密度和热能来约束时间。 

  等离子体的温度、密度和热能三者的乘积称为聚变三重积,当它达到1022次方时,聚变反应输出的功率才能与为驱动这一反应而输入的功率相等。只有聚变三重积超过1022次方时,聚变反应才能自持进行。可想而知,实现聚变三重积中的任意一个条件都要付出极大的代价和努力。 


(图为聚变三重积函数图,图片来源: 

Dstrozzi - Own work, CC BY-SA 3.0 

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12380921 

    

  执着于发展核聚变是为什么? 

  你可能会好奇,我们已经很好地掌握了核裂变,为什么还有如此坚定执着地追逐核聚变的脚步?其实,虽然裂变技术相对简单,但其燃料往往很难获得(例如铀等锕系元素一般产生于中子星合并过程因此储量十分有限。)此外,裂变产物中往往存在大量的长半衰期放射性物质,因此核废料需要特殊处理以避免放射性污染。这些问题都限制了裂变堆的潜力。而与核裂变有着相反核反应形式的核聚变却有着两大好处:不仅燃料量大管饱,还干净卫生。 

  地球上聚变燃料的储量非常大。用爱因斯坦的公式计算,一升海水可提炼出1/6克的氘,而地球上的海水所能提炼出来的氘可以让一千个聚变电站使用上百亿年。至于氚,虽然少,实际聚变过程中却并不被净消耗,而是以类似催化剂的形式循环利用。 

  而且,聚变的产物基本上是稳定的同位素,无辐射污染。少量的中子辐照带来的活化也很好处理,基本上可以认为是一种无污染的能源。 

  然而,在人们惊喜于核聚变能带来的种种好处时,我们必须意识到更重要的一点:这些好处的实现需要可控核聚变作为前提。人类早已实现非可控聚变,那两枚投向日本的原子弹为人类带来的并不是福音,而是那声令人沉思的深深叹息。非可控聚变就像雷电一样,如此巨大的能量只能破坏而不能利用实在可惜。 

    

  怎么约束聚变反应? 

  目前可控核聚变理论模型主要有三种:重力约束、惯性约束、磁约束。而国际上主流研究方向则是磁约束。磁约束利用强磁场约束带电粒子,大幅度地减小带电粒子横越磁力线扩散和导热的特性,使处在磁场中的高温等离子体的芯部与容器的器壁隔离开,构造反应腔,从而实现将聚变材料加热至数亿摄氏度高温的技术要求,进行聚变反应。 

  目前性能最好的一种磁约束装置便是托卡马克装置tokamak,俄文原意环流器,它的名字来源于环形toroidal)、真空室(kamera)、magnet)、线圈(kotushka,而这个了不起的面包圈的组成正如名字所包含的那样,主要包括磁体(环向场磁体及极向场磁体)、真空室及其抽气系统、供电系统,以及控制系统(装置控制和等离子体控制)、加热与电流驱动系统(中性束和微波)、喷气及弹丸注入系统、偏滤器及孔阑、诊断和数据采集与处理系统、包层系统、氚系统、辐射防护系统、遥控操作与维修系统等部件(子系统)。 


(图为托卡马克装置示意图,图片来源: 

http://www.ipp.ac.cn/dakexuegongcheng/east/201010/W020110119680511208494.gif 

  我国的EAST装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)全称全超导托卡马克核聚变实验装置,是中科院等离子体所自主设计研制的磁约束核聚变装置, 2017年达成101.2 秒稳态长脉冲高约束等离子体运行记录,2018年达成1亿摄氏度等离子放电运行成就。 

    

  一亿摄氏度!什么概念? 

  比太阳还要火热的不是恋人之间的爱情,也不是夏日墨西哥女郎红裙的风采,是我们的人造太阳!太阳中心温度约为两千万摄氏度,一亿度的人造太阳将近它的五倍。 

  看到这里,相信不少人都要发问,这么高的温度,即使磁约束装置已经使等离子体不接触容器壁,但散发的热量难道不会把线圈熔化吗? 

  有关温度,我们澄清一个误解:科学温度计算法和我们生活有很大不同。4万亿度的极少量物质并不危险。如果水温达到50多度,我们就会感觉很烫;但在气雾加热室80多度的空间中,我们连热都感觉不到。这是因为空气中的高温粒子与我们皮肤接触量少之又少。两者粒子量相差上万倍。 

  还有一个更极端的例子:在距离太阳系2亿光年的scne4623星云中,温度可达4亿度。但由于原子含量只有两千万分之一/立方厘米,所以我们在其中根本不会感觉热。同样的,加速器中的粒子也不会融化线圈。 

(图为部分天体赫罗图,横轴为温度,图片来源:ESO - https://www.eso.org/public/images/eso0728c/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19915788 

  年,我国的嫦娥四号发射升空,俄罗斯启动载人奔月计划,美国也在太空军的建立部署上有所动作。而掌握可控聚变能源是进军外太空不得不解锁的技能。《三体》中描述未来:从此以后,能源不再是什么需要珍惜的东西了。这是我们最狂野的能源梦想。 

  在此我们向那些在开辟能源新纪元领域上下求索、“夸父逐日”的科学家们致敬!     

关闭