人类为什么要研发可控核聚变?又为什么说掌握了

打开网易新闻 查看更多图片

就等于解决了人类未来的能源需求呢?

在人类目前的发展中,我们所使用的能源主要来自于石油和煤炭等不可再生资源。且不说这两者都会对环境产生污染,主要是它们迟早有用完的那一天。如果要寻找其他能源来替代,可控核聚变无疑是最好的选择。

什么是可控核聚变呢?其实我们熟悉的太阳就是一种核聚变反应,在太阳的内部,每秒钟都会有六亿吨的氢经过热核聚变反应为 5.96 亿吨的氦,并释放出相当于 400 万吨氢的能量,而这一秒钟所释放的能量就可以满足人类 20 万年以上的能量需求。但我们并不能直接将这些能量拿来使用,所以我们只能自己发展核能,也就是自己造一个太阳。

打开网易新闻 查看更多图片

可能很多人听到核能都会闻核色变,但其实核能主要以裂变能和聚变能两种形式存在,它们的本质有很大的区别。核裂变是重金属元素的原子通过裂变而释放巨大能量,像核电场就是其中的代表,它会使用铀等重金属元素,并且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料,造成的辐射、污染和遗害,即使过了千年也很难消除。

而核聚变则是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核,并释放出巨大能量的过程。在相同质量下,核聚变所释放的能量是核裂变的数倍。而在自然界中最容易实现的核聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变,这些能源要比核裂变需要的能源丰富得多。据估算,每升海水中就有大约 0.03 克氘,所以地球上的海水里就存有 45 万亿吨氘。而一升海水里的氘经过聚变后所产生的能量相当于 300 升汽油燃烧后释放的能量。如果将海水中的氘全部用于核聚变,那么产生的能量足够人类使用上百亿年,到那时太阳都已经不存在了。

打开网易新闻 查看更多图片

更重要的是,核聚变反应下的产物是无放射性污染的氦,并且核聚变需要极高的温度,一旦某个环节出现问题,燃料温度只会立刻下降,反应也会随即终止。换句话说,核聚变反应是一种次临界堆,它绝对不会发生类似于切尔诺贝利和福岛核电站的事故。

简而言之,核聚变反应可以看作是一种无限清洁安全的新能源,所以各个国家才会对核聚变的研发如此重视,而这种强大的能源也代表着它的研发难度非常高。

在当下的研发方案中,托卡马克装置是一种很不错的选择。托卡马克的中央是一个环形真空室,外面缠绕多组一定形态的线圈。在通电的时候,托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场,并将其中的等离子体约束起来,使它与外界尽可能地隔热,这样等离子体才能被加热到上亿度的高温,以达到核聚变的目的。

打开网易新闻 查看更多图片

就在近日,我国新一代的“人造太阳”中国环流三号取得重大科研进展,首次实现 100 万安培等离子体电流下的高约束模式运行,这不仅再次刷新了磁约束聚变装置运行的记录,还突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统综合集成、先进偏滤器位形控制等关键技术难题。可以说,这是人类可控核聚变史上的一次重大里程碑。

打开网易新闻 查看更多图片

相信在不久的未来,我们将会掌握成熟的可控核聚变技术,到那时,人类不仅可以实现能源自由,走出太阳系也是指日可待的。