超2亿℃,比太阳热10倍,中国新一代「人造太阳」未来可保护地球

subtitle 量子科学论07-03 15:05 跟贴 510 条

每天早晨我们都会看见天空中升起一个发光发热的大火球,这就是已经存在了46亿年的太阳,它为地球持续不断的带来能量,生物的生存、大气的流动都离不开它。

可以说地球上的一切动力来源都是直接或者间接的太阳能转化的过程,可惜的是,能量在转化的过程中效率非常低,且有大量的能量被白白的浪费掉。

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所以我们人类很向往能够自己拥有像太阳这样无限的、可控的能量来源。

那么太阳是怎样做到持续的能量供应的?其实就是简单的核聚变反应,简单?没错,确实在理论上很简单,无非就是太阳通过自身的重力将氢元素(单个质子)在高温高压下融合成氦元素。

每一个氦元素的诞生就会释放出2800万电子伏特的能量,每秒钟就有4×10^38质子变为氦元素,这个数字相当的可观,这就是太阳能量的来源。

既然我们了解了太阳是如何工作的,那么有了理论支撑,人类近几十年来也将其付之于行动,且取得了不错的成绩。

2019年中国的“环流器二号M”在四川成都开始组装建设,计划在今年开始投入运行,并开展相关的科学实验。“环流器二号M”也被称为中国新一代的“人造太阳”。

比以往的“人造太阳”拥有更加先进的结构和控制方式,预计运行中心温度将超过2亿℃,这是个啥概念,要知道太阳中心温度也不过1500万℃,也就是说这个人造太阳的温度将是太阳的10倍有余。

“人造太阳”其实就是所谓的人为可控核聚变,也就是模仿太阳内部的工作原理来获得能量,目前我国在可控核聚变领域一直处在国际先进水平,多次突破关键技术,受到了全世界的瞩目。

可控核聚变装置不仅每个国家在自行研制,在国际上还由多国来合作来共同突,可见这项技术的难度。

例如在2006年,我国也受邀同欧盟,印度,日本,韩国,俄罗斯和美国一起正式联合实施国际热核聚变实验(ITER),为ITER计划贡献了自己的力量和智慧。

这足以见得我国在热核聚变领域已经在国际上成为了不容忽视的一支力量。尤其是“环流器二号M”的建成和投入使用,将为我国未来自主研制可控核聚变反应堆提供大量的实验数据和关键的技术支撑。

虽然核聚变的原理在上世纪三十年代已经被提出,而核裂变的发现还晚于核聚变5年的时间。但是第一颗核武器是核裂变原理的原子弹,在1945年引爆成功。

但是第一颗真正意义上的氢弹,也就是热核聚变弹是在1954年才引爆成功,中间差了将近10年。

再来看下,人类现在已经完全掌握了可控核裂变反应,也就是让裂变元素缓慢、稳定的释放能量来推动汽轮机运转。

今天全世界有大量的民用核电站正在安全的运行。并且有些国家的核电站数量十分庞大,例如法国就达到了58座,占了全国总发电量的75%,核能在目前人类的能源比例上可见一斑。

但是全世界目前没有一座可控核聚变反应堆,可控核聚变技术一直是发展缓慢,且卡在了能量“收支平衡”这个瓶颈上,目前可控核聚变的装置一直处在实验阶段。

为什么核聚变技术总是慢于核裂变技术呢?为什么我们有了可控核裂变还要发展可控核聚变呢?可控核聚变为何可以拯救地球?

原因在于虽然都是核能释放能量,但是这两个反应的方式有着本质的区别,核裂变所使用的材料为重元素铀235,其有一个非常重的原子核。

包含了92个质子和143个中子,过量的中子导致了原子核不稳定且具有放射性,我们利用中子轰击铀235的原子核就会使其发生裂变,转变为质量更低的元素,并释放出2-4个中子和能量。

这些中子又会轰击其他的铀235,发生快速的链式反应,瞬间释放巨大的能量,这就是原子弹的爆炸过程。这样的不可控反应也称为超临界反应。

而可控的核裂变为次临界反应堆,这样的反应都可以“自持”,但是反应速度很慢,为了达到这样的效果,我们只需要吸收中子,降低中子的数量或者降低中子的速度来实现反应过程的可控。

所以核裂变的反应条件并不苛刻,我们很容易就能办到。

虽说可控核裂变的能量也貌似“源源不断”,且被称为“清洁”能源,但是核裂变的原材料铀235在自然界的储存量并不高,每次使用要经过复杂的工序来进行浓缩和提纯,因此并不能称之为真正意义上的无限能源。

更加重要的是,核裂变也不完全是清洁能源,虽说比直接燃烧化石燃料好的多,没有废气。但是核反应生成的废料具有很强的放射性,这一直是人类头疼的问题。

而核聚变反应就完全没有以上的困扰,且原材料可以说轻而易举就能获得,并且取之不尽用之不竭。氘和氚是氢的同位素,是核聚变的原材料,在海洋里大量的存在。

据估计,一升海水提取的氘产生的聚变能源相当于300升汽油,且全球海洋能够支持人类使用一百亿年,并且氘和氚聚变后会生成氦并释放一个中子和大量的能量。

没有任何的污染,这才是宇宙中真正意义上的能量的圣杯。但是要想实现可控核聚变谈何容易!

你可能会想,氢弹都爆炸了,可控核聚变有这么难么?确实很难,氢弹使用的也是氘和氚,但是要想让这两个元素融合,必须要高温、高压。

太阳内部的高温达到了1500万℃,在巨大的压力下密度达到了铅的13倍,这样的环境才使得氢元素发生了聚变,那么人类想要让氢元素聚变要怎么做?

别忘了,我们在氢弹前已经制造了原子弹,没错!氢弹就是依靠原子弹瞬间释放的能量引爆的。但是可控核聚变,人类想要利用聚变能,总不能先放炸个原子弹吧!

所以这就是可控核聚变的难点,聚变条件要求太高了,那么如何创造高温高压?目前的主流办法是这样的,中国环流器二号M也是采用了同样的办法。

也就是我们常听说的托卡马克装置,利用磁控约束的办法实现可控核聚变。其实过程听起来也很简单,但实现起来依然很难。

首先我们要将参与的聚变气体电离为等离子体,怎么做?加温,等温度达到10万摄氏度,电子自动就会从原子中被剥离。此时就形成了氘、氚的原子核。

这样两个原子核就有机会可以相遇,那么如何让它们发生聚变呢?加温,继续加温,拥有极高温度的等离子体会疯狂的随机运动,当温度达到上亿℃,原子核所拥有的动能就会导致它们相互碰撞的时候,克服库仑力(原子核带正电)发生融合,形成氦元素,释放出一个中子和大量的能量。

我们即使的排除中子和生成的氦,继续添加新的氘和氚,反应就会持续的进行下去。是不是很简单?但是你想过没有这么强大、温度极高、压力极大的等离子要放在哪里呢?

高压锅?开个玩笑!人类目前所发现的材料中没有一个能够抗住1万℃的高温,更何况1亿甚至是2亿摄氏度。

如何解决这个问题?这就是我们所说的磁约束,我们知道等离子子带有电荷,它们在磁场中运动的时候会受到库仑力,所以我们可以利用强大的磁场将等离子体约束在空间中,让它们不接触任何材料在空间中进行反应。

在实验中这种方法被证明可行,并且已经可以放电,但是在实际的应用中还有一些差距,你看,我们为了模仿太阳内部的环境,不断地为其中输入了大量的能量,但是参与反应的元素所释放的能量却入不敷出。

也就是说,这样的装置有时无法“自持”,投入的比获得的还要大,我们现在的目标就是让托卡马克装置产生的能量能够维持自身的运行。

中国的环流器二号从2003年至2019年也进行了非常多的核聚变反应,总共放电次数超过了33,000次。但是每次放电只能持续短短的两秒钟,总共运行了不到24小时,这样看来这跟电厂还是有巨大的差距。

每次放电的成本达到了10万元,不要灰心,毕竟我们在模仿太阳!且国际上的可控核聚变也没有好的哪里去,ITER计划的成本更是达到了100亿欧元。

现在来看这就是个烧钱的装置,离造福人类还有一定的距离,但不可否认的是,中国在可控核聚变方面有着巨大的优势,环流器二号M在温度上也有了巨大的突破。

未来我们很有可能制造出人类第一座可控聚变反应堆。彻底取代污染环境的化石燃料,造福人类,保护地球。

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