“人造太阳”离圆梦又近一步——揭秘中国可控核聚变

原创 2020-04-11 08:55:12 199人阅读

 中国环流器二号M装置真空室吊装。范 晋摄

“人造太阳”离圆梦又近一步——揭秘中国可控核聚变

  中国环流器二号M装置PF7B线圈起吊。范 晋摄

“人造太阳”离圆梦又近一步——揭秘中国可控核聚变

  取得丰硕科研成果的中国环流器二号A装置。关 宇摄

“人造太阳”离圆梦又近一步——揭秘中国可控核聚变

  技术人员合力安装真空室外壁磁通环。范 晋摄

  (本版图片均为中核集团核工业西南物理研究院提供)

  万物生长靠太阳。今天支撑人类社会运转的几乎一切能源,从煤、石油、天然气,到风能、生物能,其本质都是太阳能,而太阳上的能量来自内部的核聚变反应。

  就像儿歌中所唱的,“我有一个美丽的愿望,长大以后能播种太阳”,长久以来,人类一直希望通过可控核聚变反应,来创造出“人造太阳”,从而获得源源不绝的能源,大幅改善人们的生活。

  就在前不久,中国核工业集团宣布,新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”,预计于2020年投入运行。中核集团核工业西南物理研究院院长段旭如表示,该实验装置的建成将为人类真正掌握可控核聚变提供重要技术支撑。我们距离“人造太阳”的梦想,又近了一步。

  源源不绝的清洁能源

  众所周知,石油是工业的血液。但以石油为代表的化石能源,有两个绕不开的问题:一是不可再生,二是污染。即便页岩气、可燃冰等新型能源被不断开发,但归根结底都有消耗殆尽的一天。而目前的核裂变能也存在着反应原料(铀等)有限、核废料放射性污染的问题。

  有没有一种能源,既无穷无尽,又清洁环保?还真有一个,就是可控核聚变。

  从“进口”上说,可控核聚变所需的反应原料(氘原子和氚原子),在地球上非常丰富。氘在海水中储量极大,1公升海水里提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量;而氚可通过中子与锂反应生成,在地壳和海水中,锂都是大量存在的。

  从“出口”上说,可控核聚变的产物为氦和中子,不排放有害气体,也几乎没有放射性污染,具有环境友好的优点。

  “核聚变能一旦实现和平利用,地球上的能源将取之不尽用之不竭,因能源短缺带来的社会问题可得到彻底解决,人们的生活水平也将因此而得到极大提高。”段旭如说,像海水淡化、星际飞船这类工程,过去因耗能太大而令人们犹豫不决,而未来在可控核聚变能的支持下,都将能够更快发展。

  不仅零污染、用不完,可控核聚变还有另一个重要特点:固有安全性。许多人一想到用核能发电,就会想到切尔诺贝利核事故或者福岛核事故,从而有了“恐核”心理,谈核色变。事实上,核聚变反应需要氘氚燃料达到上亿摄氏度的高温和足够高的密度等苛刻条件,任何一点细微条件的缺失,都会导致温度密度的下降,致使聚变反应停止。

  然而,世界上仍然有许多环保机构公开指责核聚变所存在的安全隐患,包括产生核废料以及核泄漏的风险。对此,段旭如解释:“由于燃烧的氘氚等离子体被磁场约束在真空容器内,其密度比空气低数个量级,聚变堆氘氚燃料含量也较低,因此不会引起爆炸,也不会导致泄漏事故。”

  理想很美好,但实现起来并不容易。一个最明显的问题,就是用什么容器来承载核聚变。

  据段旭如介绍,在地球上利用核聚变能,要求在人工控制条件下等离子体的离子温度达到1亿摄氏度以上。“1亿度是什么概念?太阳的核心温度大概在1500万度至2000万度;而地球上最耐高温的金属材料钨在3000多度就会熔化。1亿度,已经超过太阳核心温度的5至6倍了。”中核集团核工业西南物理研究院特聘研究员钟武律解释说,“在地球上,没有任何材料可以把1亿度高温的等离子体给直接包裹起来。”

  不过这个问题还是难不倒人类科学家,他们“无招胜有招”,想出了用强磁场来约束高温核聚变燃料的办法。但具体用什么装置来实现,还要继续探索。从20世纪50年代开始,英、美、苏等国科学家前赴后继,快箍缩、磁镜、仿星器等不同的技术路线此消彼长。竞争延续到了1960年代,最终由苏联科学家提出的托卡马克方案异军突起,效果惊人,国际聚变界的重点研究方向随之转向了托卡马克。

  攻坚克难的核聚变人

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