获得无限能源,作为人类文明的终极挑战之一,一直是我们梦寐以求的目标。而看着脚下千疮百孔的地球,替换化石能源早已是迫在眉睫的事情。如果人类文明想要永续发展下去,那么可控核聚变就是最关键的技术。

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上图:核聚变

原因十分简单,核聚变废弃物半衰期极短,不会污染环境,十分清洁环保。此外,如果不维持对核的约束,便会停止反应因此安全性极高。重要的是,核能的能量密度极高,号称宇宙终极能源。并且其聚变消耗的燃料氘(氢的一种同位素),在地球的储量也十分巨大。

上图:氢的同位素

例如,海水中平均每 6420 个氢原子中就有一个氘原子。地球上约有 132.2 亿亿吨海水,也就是四十万亿吨氘元素。如果不考虑能量转换效率的话,这么多的氘理论上能产生九亿亿亿度电,够人类用数百亿年,即使打个0.1折,也有数亿年。然而要想实现真正意义上的核聚变发电,须满足三个条件,来模拟太阳内部的环境。分别是足够的温度、压力和长限制时间的密闭环境。

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在引力的作用下,我们头顶的太阳内部达到了1500 万度的高温和 2000亿个大气压的高压,因此氢在这个“较低”的温度下就聚变成了氦。这样的反应已经进行了 46 亿年,产生了巨大的能量,为地球带来勃勃生机。而在地球上没有那么高的压强,要发生聚变,温度就需要达到上亿摄氏度。因此实现可控核聚变的关键,就是必须要做到在 1 亿摄氏度下的等离子体长时间运行。

2020 年,韩国聚变能研究所宣布,韩国超导托卡马克先进研究核聚变装置 KSTAR,成功地将高达 1 亿度的高温等离子体维持了 20 秒钟,创造了当时的世界纪录。

随后据 2021 年 12 月 5 日的新闻报道,韩国研究团队又成功将高达 1 亿摄氏度的“韩国超导核聚变装置KSTAR”维持运行了 30 秒钟,打破了之前 20 秒的纪录,温度相当于太阳的 8 倍。为此,甚至还有人说出了“中国仍需努力”、“承认别人优秀对你们来说这么难吗?”这样的话,简直滑天下之大稽,看的修仙君火冒三丈。

那究竟什么是KSTAR?

KSTAR 也被称为韩国“人造太阳”,于 2007 年完成建设,并于 2008 年产生了第一批等离子体,是国际热核聚变实验反应堆 ITER 项目的一部分。而所谓 ITER 计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。其建造大约需要十年,耗资五十亿美元。其参与成员分别是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国这七方。

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上图:国际热核聚变实验反应堆(ITER)

而和大多数核聚变项目一样,韩国的“人造太阳”采用的也是托卡马克装置。该装置是目前最先进的聚变装置,它的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。通电时会产生多方向的超强磁场,将内部等离子体加热并进行约束,使得它们稳定悬空并高速旋转,一直在磁约束的环面中运动,不跟容器直接接触,所以能抗住上亿度的高温。

上图:托卡马克中的磁场

除此之外,韩国研究团队还计划在 2026 年通过升级电源和通过钨分流器,将等离子体维持 300 秒,但这些成就依旧不值得让我们太过关注。毕竟就在 2021 年 5 月,中国"东方超环" EAST 创造的世界纪录:可重复的 1.2 亿摄氏度 101 秒和 1.6 亿摄氏度 20 秒等离子体持续运行,至今还未被打破。

即便韩国“人造太阳”打破了自己曾经的记录,但离我们还有 70 秒的差距,而每一秒都是一道天堑。甚至到了 2050 年,我国还有可能会拥有聚变商业示范堆,聚变功率高达 200 万千瓦,是国际热核聚变实验反应堆 ITER 的 4 倍。

该聚变商业示范堆是 CFETR 项目的第三阶段,于 2017 年 12 月 5 日正式启动工程设计,是中国自主设计和研制并联合国际合作的重大科学工程,也是中国在全面消化吸收国际热核聚变实验堆(ITER)相关技术的基础上,预先开展下一代超导聚变堆研究的重大项目。 可以期待 30 年后,第一缕来自核聚变发电厂的电流,所点亮的灯泡也许就在中国。

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不过我们作为人类在可控核聚变领域的领头羊之一,对于韩国在可控核聚变技术上取得的成就也该予以肯定。虽然它们距我们还有一段距离,但这依旧是值得全人类祝贺的一件事情。毕竟同为 ITER 项目的成员国,还有很多相关技术可以吸收。因此韩国的技术突破对我国可控核聚变技术的发展而言,也是一件美事。但唯独像“中国仍需努力”这样打击我们科技的话,实在是不该再说了,因为我们真的不弱。