太阳这种能源也能被人造?

2017-01-12


作者:顾俊星来源:蝌蚪五线谱


    科学家们很早就曾大胆的计划,地球上是否可以人为制造类似小型太阳的产能装置,即“人造太阳”计划。


  随着科技的发展,在几百年的时间里,把人类从骑马驰骋转变到驾驶汽车、火车、飞机;从篝火的星星点点亮光到用高效能日光灯把我们的夜晚照成白昼。文明的进步与日常生活的极大便利化的同时,人类对能源的日益依赖。激长的能源需求与现有的不可再生地球资源之间的矛盾,关乎人类文明的未来还能延续多久。

  目前,主宰世界的石油、天然气等化石燃料,其不可再生性以及环境污染性,让越来越多的人把目光投向清洁能源如光能、潮汐能、风能的研究以及开发、利用上,而科学家们还远不满足于此。

 

    太阳照耀着地球

  人类明白,一切上述地球能源,归根结底全部来自于距离地球最近的恒星——太阳。几十亿年来,太阳以其内部庞大的能量源,温暖着我们的地球,并由此直接催生了地球生命的诞生与发展。自此,科学家们很早就曾大胆的计划,地球上是否可以人为制造类似小型太阳的产能装置,即“人造太阳”计划。

  要制造太阳,必须了解看似能源源不断的释放能量的太阳,其能量来自于哪里。

 

太阳结构


  太阳的能量来源

  天体物理学家们研究发现,太阳的核心部分,温度高达1500万摄氏度,压力高达2500亿个大气压。如此高温高压下,这一部分区域在不间断的发生着核聚变反应。聚变反应过程中,四个氢原子核结合,成为一个氦原子核,并损失掉一部分质量。根据狭义相对论所堆出的质能方程,这一部分质量释放出大量的能量。根据科学家们的探测数据粗略推测,太阳中心每秒钟核聚变释放的能量相当于92千万亿吨TNT当量,也即相当于每秒钟太阳中心,爆炸约4万亿颗曾爆炸于广岛的“小男孩”原子弹。

 

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太阳发生以每秒钟6.2亿吨氢的核聚变反应

  实际上,我们所熟知的核武器中的氢弹,利用的正是类似于太阳中心的核聚变反应。只不过这一反应是先通过类似原子弹的裂变反应,提供高温高压极端条件,然后触发了聚变反应。可以看做是模仿了太阳中聚变反应的最后一步,并在短时间内释放出具有破坏性的能量。


  核能的和平利用

  1945年,人类首颗原子弹于广岛爆炸,颠覆了整个人类对战争的认知。此前从未有过什么力量可以在一瞬间毁灭一整座城市。经历了二战的惨痛经历,以及此后的冷战中,使人类全部文明在悬崖边缘徘徊的古巴导弹危机。人类深深的认识到了核武器骇人的巨大破坏性能量。此后,通过和平的手段利用核能,成为科学界长久以来的梦想与努力的方向。

 

日本福岛核电站


  依据原子弹核裂变的原理产生能量的核电站,在世界范围内发展迅速。特别是欧洲、日本等土地面积和自然资源匮乏,科技实力却处于领先地位的国家,几乎把核电站作为本国主要的能源获取方式。然而近年来,随着核泄漏、核污染事件的报道,世界范围内的大型核电厂建设遭到广泛的质疑和诟病。现有的核电厂,全部利用核裂变能,这种裂变反应的产物具有强放射性,难以处理,并且衰变时间长。一旦泄露,其核污染(主要指电离辐射)范围不可想象。

 

核裂变反应原理示意


  核裂变为原子弹的基本放能机制,不同于核裂变,氢弹中利用的核聚变反应同为太阳(一切恒星)中心的能量产生机制,产物都为日常生活中常见的元素,不会产生放射性物质,不存在任何污染,且聚变反应能量产出远远大于裂变反应。此外,不同于裂变反应原料铀,聚变反应原料为氢的同位素,获取它十分容易,并且在大海中的存量十分丰富。可以说,聚变反应能必将成为人类在未来的主要能量来源。

 

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核聚变反应原理示意

  可是,为什么现在一直没有一家核电站是利用聚变能产生能量的呢?这就在于,触发聚变反应所需要的条件极为苛刻。想要在地球上人为制造类似太阳中心所能达到的超高温高压,不是一件十分容易的事。而氢弹中,利用裂变触发聚变的方式又太过武断、简单,只能瞬间释放能量,无法人为可控的长时间持续提供能量。(总不能建造个电场,天天在里面炸氢弹吧?)



    ITER计划


  国际热核聚变实验堆计划(ITER:International Thermonuclear Experimental Reactor),也被称作“人造太阳”计划,于1985年被国际科学组织倡议,并于1988年开始实验堆的研究设计工作。2005年,欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国,这7个主要参与方正式签署了联合实施协定,启动实施ITER计划。计划历时35年,其中建造阶段为10年,运行和开发利用阶段为20年、去活化阶段为5年。目前为止,ITER计划是世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。

 

托卡马克实验示意

  前文提到过,达到核聚变所需的条件极为苛刻,也即是需要接近太阳核心处的高温高压。考虑到安全因素,一切科学实验都应该尽量避免高压,因此只能提高温度。(温度高了,大不了不去碰它,但是如果压力大了,万一出事故,那可就是爆炸)在上亿摄氏度的温度下,一切已知物体都会气化,甚至接近等离子体态,没有一种容器能放得了这么高温的东西。那么就自然而然地想到,利用某种装置使加热物质悬浮于空中,不与其它任何物体接触,并可以持续加热到极高温度。

 

托卡马克实验装置结构


  在该计划中,主要是利用了可以产生超强磁场的托卡马克实验装置。用磁场将带有电荷的等离子体约束于装置的腔体中,被磁场约束的高温等离子体在腔体中悬浮着做回旋运动,并不会碰到腔壁。经过逐步加热至亿摄氏度以上的超高温度,从而触发持续的聚变反应。

 

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日本托卡马克实验装置结构


  我国核聚变能研究开始于60年代初,尽管经历了长时间非常困难的环境,但始终能坚持稳定、逐步的发展,建成了两个在发展中国家最大的、理工结合的大型现代化专业研究所,即中国核工业集团公司所属的西南物理研究院(SWIP)及中国科学院所属的合肥等离子体物理研究所(ASIPP)。为了培养专业人才,还在中国科技大学、大连理工大学、华中科技大学、清华大学等高等院校中建立了核聚变及等离子体物理专业研究室。科技部依托中国科技大学成立“国家磁约束聚变堆总体设计组”,中国科技大学核科学技术学院院长万元熙院士担任组长。每年,都不断有年轻的科技工作者在国内平台接受培养而成长,并被挑选送去欧洲参与全人类共同努力的合作项目ITER。同时又不断有从欧洲归来的经验丰富的核聚变领域专家,在中国培养新的人才,不断传承。

 

EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置

  EAST是由中国科学家独立设计建造的世界首个全超导核聚变实验装置,于2007年通过国家验收。它在近年来取得了一系列处于国际领先地位的实验成果,其科学目标是为ITER计划和中国未来独立设计建设运行核聚变堆奠定坚实的科学和技术基础。2012年,EAST物理实验曾创造32秒高约束模世界纪录。为进一步发展稳态高约束模,近年来,EAST相继完成了辅助加热、钨偏滤器、等离子体物理诊断等系统的升级改造,克服了加热与电流驱动、分布参数测量等关键技术难题,深入研究和基本解决了射频波耦合、高约束等离子体稳定性控制、低动量条件下加热和电流驱动下输运等一系列物理问题,为实现长脉冲稳态高约束模等离子体奠定了坚实的基础。

 


EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置结构


  就在不久前,位于合肥的中科院等离子体物理研究院的超导托卡马克实验装置EAST报告等离子约束时间取得了重大进步:在第11轮物理实验中再获重大突破,获得超过60秒的稳态高约束模等离子体放电,不仅在等离子体参数、约束性能和维持时间长度上全面、大幅度超过2012年的结果,而且实现了完全的非感应电流驱动(即稳态)。EAST因此成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。在纯射频波加热、钨偏滤器等条件下,实现稳态高约束模等离子体放电,是ITER的基本运行模式之一,ITER将采用射频波主导的低动量注入运行模式以及主动水冷的钨偏滤器结构。

    EAST是目前世界上唯一具备这两大特色的且具有长脉冲运行能力的全超导托卡马克,其稳态运行模式将为ITER和未来核聚变反应堆提供重要参考。

 

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法国托卡马克实验装置环形真空室内部


  自此,笔者甚至可以乐观的预测,未来,当有一天地球上的化石资源被人类消耗殆尽的时候,不会是人类文明的终点。新的聚变能必将开启人类文明新的历史篇章。同时,希望每一个受益于科技发展所带来的便利文明的人,在享受这种科技文明的时候不要忘记了曾经为人类辛勤探索、论证、实验并推动最终产业化应用的科技工作者们。



来源:东方头条-科技频道

作者:顾俊星来源:蝌蚪五线谱


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