人造太阳离我们还有多远
作者:土豆理财  鼎财 - 茶馆
2018-09-14 21:17:35
(1108)

作者| 王啊,电子科技大学博士研究生

  炎炎夏日,神州大地都进入了蒸笼模式,身边的小伙伴们也都一个个变成了不开空调会死星人,虽说现在已经处处都是空调了,可月末高昂的电费依然是一笔不小的开销。那有没有一种可能,能让我们人类首次在地球生物进化史上,永久性地获得取之不尽用之不竭的能源呢?

  有,并且已经曙光初现了,这个曙光,就是核聚变——人造太阳工程。

  (一)一旦掌握核聚变,人类能源问题将永久性解决

  相较于核裂变,普通人对核聚变的了解程度可能更低,甚至还经常理不清这两者的关系。核聚变与核裂变在原理上到底有何不同呢?

  我们都知道,爱因斯坦有个著名的质能方程E=mc2。当一个重原子分裂为两个轻原子时(核裂变),或两个轻原子融合为一个重原子时(核聚变),反应的过程会产生一点点的质量亏损,而这损失的一点点物质会变成巨大的能量释放出来,这能量究竟有多大呢?——光速的平方倍。

  (氘氚核聚变示意图)

  原子弹(核裂变)和氢弹(核聚变)就是上述物理过程的军事化应用,对于它们的威力想必我们都不陌生,那能不能和平利用原子能呢?当然可以。以反应条件相对容易的核裂变为基本原理,全世界范围内已建成了400多座核电站,目前都平稳运行。但为什么我们并没有说,核裂变永久性地解决了人类的能源问题呢?

  主要有以下三个原因:

  核裂变所需的铀等原料,在地球上分布十分有限;

  核裂变电站存在放射性强、安全隐患较大等缺点,不易于大面积建设;

  为了使核裂变可控,大量的冷却设备使反应放出的热都被浪费了,综合费效比不高。

  而这三个原因,恰恰都被核聚变完美解决:

  核聚变所需的原料氘氚都提取于海水,取之不尽用之不竭;

  核聚变反应过程中几乎不产生辐射,核废料也几乎没有放射性;

  核聚变托卡马克反应堆简单可控,只要断电,核反应立马停止,而且,单位核原料产热值也比核裂变高。

  因此,一旦核聚变技术被掌握,这将是地球生物首次永久性地解决能源问题。

  (二)要耐受几千万摄氏度高温,核聚变装置是个大问题

  既然核聚变这么厉害,为什么我们还没有掌握呢?让我们从核聚变的发展史讲起。

  1945年,美国人成功爆炸了第一颗原子弹,随后,不甘示弱的苏联人在1954年就建成了第一座核裂变发电站,两个超级大国相互竞争,让核裂变军转民的速度压缩到了10年。这让科学家们都普遍乐观预计,“差不多”的核聚变也将不久就能飞入寻常百姓家了。

  但很快,在研究聚变等离子体不稳定中科学家们发现,受控聚变反应研究所遇到的困难远远超出想象,可以说就是“天坑”。因为核聚变发生的必要条件之一就是需要达到数千万摄氏度,而目前人类已知熔点最高的钨也不过只有3000多度,所以,要想找个能耐如此高温的装置简直就是Mission impossible。

  直到1968年,苏联公布了一种基于托卡马克构型的磁约束核聚变装置T-3,实验显示其内部的燃料可以达到惊人的800万度,这一结果,轰动了全球聚变界。疑心重重的英国人实地测量后,也不得不承认这条路径的正确性,自此,西方各国都开始纷纷建造自己的托卡马克装置,磁约束核聚变这才走向了研究正轨。

  (三)101秒!核聚变的世界纪录在中国

  说了这么多,那我们中国人自己的核聚变项目现在是处于什么水平呢?

  (全超导托卡马克装置 合肥)

  就在2017年7月3日晚,位于安徽合肥的中科院等离子体所的全超导托卡马克装置(EAST)实现了101.2秒稳定长脉冲高约束等离子体运行,这是世界上第一个实现稳定高约束达到百秒量级的托卡马克装置,这一超长稳定约束时间创造了世界纪录。

  专业术语有点多,我们简单来理解下。在物理学中,核聚变反应发生的必要条件被称为劳森判据,这一用于判定是否发生了核聚变的条件,可以简单概括为一个不等式,即聚变反应燃料的密度、温度、约束时间的乘积必须要大于一个很大的值。太阳之所以是个炙热的火球,就是因为其表面时时刻刻都在发生着这种核聚变,也因此,地球上的可控核聚变工程才有了“人造太阳”的昵称。

  要想发生核聚变,就得达到劳森判据。而当反应温度达到核聚变需要的几千万摄氏度时,核燃料氘氚原子早已分裂成电子-质子的等离子形态,因此,世界各国研发托卡马克聚变装置的目的就是,比赛看谁的装置能稳定约束住它们,使其乖乖地不乱跑,并且约束的时间越长越好。

  所以,中国的EAST在2017年创造的101秒的高约束时间自然就拔得了头筹。也就是说,我们国产的“高压锅”质量更好,科技含量更高,里面的“排骨”炖得更烂。

  (中国HL-2A托卡马克装置 成都)

  那么,中国聚变事业的故事讲完了吗?不,您的好友,CFETR,一个更加雄心勃勃的计划已经上线。

  (四)中国核聚变新的征程——CFETR

  相比于各国核竞赛、太空竞赛等“闭门造车”式的发展,核聚变却需要全世界共同建造,这也从侧面印证了可控核聚变的技术难度实在是太高了。所以,2006年,中美欧俄日韩印七方共同签约,决定在法国Cadarache建造国际热核聚变实验反应堆(英文缩写:ITER)。

  由于众所周知的原因,国外的工程项目进度和中国比起来,都慎之又慎,原计划于2020年建成通电的项目,最近又推迟到2035年。鉴于此,中国科研人员在深度参与ITER的同时,又另起炉灶提出了一项雄心勃勃的计划——打造属于中国人自己的聚变工程实验堆(英文缩写:CFETR)。

  这件事和最近比较火热的一则新闻对比来看,会更有意思。服役将近30年的国际空间站预计将于2024年退役,届时,中国的空间站将成为在轨运行的唯一一个空间站,中国已正式开启中国空间站国际合作,盛情邀请世界各国积极参与。

  是不是很类似?在这种极具挑战性的大科研装置中,中国都是以一己之力在和一个名为“外国”的国家你追我赶。就在外国因为经费问题相互扯皮的时候,中国已经脚踏实地地集中力量办了大事。

  根据目前公开的资料,CFETR在借鉴ITER现有的物理和技术基础上,将主要研究稳态燃烧等离子体特性和控制燃料氚的自持、聚变发电、聚变堆材料等重大科技问题。除此以外,CFETR还将演示连续大规模聚变能安全、稳定发电的工程可行性,与ITER装置实现互补。

  具体来说,有以下几点:

  (1)CFETR托卡马克装置将继续采用全超导托卡马克技术路线,吸收消化ITER的技术。

  CFETR体积约为ITER的85%,其中它的装置的大环直径将达到11.4米,小环直径3.2米,在装置尺寸缩减的同时,还要保持环内等离子体电流达到10兆安,纵向磁场5特斯拉,氚再生比例大于1.2。

  (2)CFETR装置在建设方面将采用ITER70%的技术积累,但在此基础上弥补了ITER装置时间短、燃料氚不能自持不能发电等功能。

  考虑到CFETR需高参数稳态运行,单独靠欧姆变压器的磁通变化是不能将环向电流长期维持下去的,因此,中国的CFETR装置将采用电子回旋共振加热、低杂波电流驱动、中性束注入和离子回旋共振加热等四种辅助手段对等离子体进行电子加热和非感应电流驱动。

  (3)CFETR装置一期在物理上将实现较为可靠稳妥的科学目标,聚变能输出功率达到200兆瓦。二期工程,将充分利用国内外最先进的经验和科学实验结果,通过堆内部件的升级,在同一个实验堆上实现大于1000兆瓦聚变能的输出,反应产出比这一关键指标的“Q值”将实现大于25,也就是说每消耗1份能量,将会得到25份能量,而ITER才仅仅为10。

  (ITER核聚变装置剖切图)

  CFETR要实现的目标是最小聚变功率为50-200兆瓦,且年聚变燃烧时间在大于0.3-0.5秒条件下,实现稳态或长脉沖运行,验证聚变堆系统的氚自持,通过利用CFETR来探索满足DEMO级别装置要求的包层与偏滤器设计,探索利用远程遥控进行方便更换的方案,探索获得DEMO级别聚变电站许可文件的技术途径。

  可以看出,中国聚变工程实验堆(CFETR)是为真正利用核聚变燃料进行发电而设计的工程实验堆,除了探索聚变物理的奥妙之外,更重要的是要把理论变成现实,解决摆在人类文明面前迫切需要解决的能源问题。

  通过EAST和CFETR的建设,中国将实现聚变能源研发的跨越式发展,率先在中国实现聚变能的和平利用;在2020年前后具备独立自主建设聚变堆的能力;在2040年代开展聚变示范堆的研发;在本世纪50年代,开展聚变电站和建设和运行,实现聚变能商业应用,一举永久解决能源问题。

  因此,CFETR的意义简单来说就是,以中国一己之力,就基本看齐了全球合作的聚变堆,虽然起步较晚,但后来居上,目标更高,最终将可能更快得以实现。

  结语

  在地球生物漫长的进化史中,对核能的有效利用,将使人类首次永久性地解决能源问题。草履虫没做到过,恐龙没做到过,先秦两汉唐宋明清同样也没做到过,而如今我们21世纪的人类,将比历史上任何时期都更接近完成这一辉煌目标,我们健在的每一个人,都极有可能在有生之年亲眼目睹这一史诗般奇迹的诞生。


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