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官宣!再过五十年,钢铁侠里的黑科技就要成为现实了!

太长不看版

  • 模仿太阳,制造受控核聚变,是一项能够彻底解决人类能源危机的“黑魔法”

  • 为了实现受控核聚变,各国都建造了一批验证其可行性的实验装置

  • 在这些装置中,核聚变已经实现,但如何收集利用产生的能量,是个大问题。

韩国KSTAR聚变装置 l Research Council of Science & Technology

看到这个仿佛好莱坞科幻电影道具的大型装置,你想到了什么?漫威英雄钢铁侠托尼·史塔克的方舟反应堆?恭喜你,跟正确答案已经很接近了,可能就差50年左右。实际上,它是韩国可控核聚变试验装置KSTAR,最近,这个大家伙成功地将1亿摄氏度的等离子体维持了20秒钟,打破了此前由中国同类设备“EAST东方超环”创造的10秒纪录。

电影《钢铁侠》中的方舟反应堆 | Marvel.com

等等,托尼·史塔克的方舟反应堆不是一个输出能量无限的超级动力装置吗?这个KSTAR所创造的纪录怎么更像是某种保持高温的耐力测试?请大家看看《漫威百科全书》,里面明确地指出,无论是史塔克工业基地下面的方舟反应堆,还是钢铁侠战甲胸口的那个迷你反应堆,都叫“磁约束(核)聚变反应堆”。无论是我国的EAST东方超环,还是韩国的KSTAR,都是核能科学家努力把漫画中史塔克的天才奇想变成现实的实验装置。只是,由于存在诸多技术难题,它们暂时还没办法输出能量

再造一个太阳,温暖全世界

说到核聚变,大家第一感觉就是,这是一个充满未来神秘感,高大上的黑技术。但实际上,我们每天都在密切接触这种神秘的能量生产方式,那就是太阳。我们每天沐浴的阳光,就来自太阳内部的聚变。

太阳,主要由氢和氦元素构成。由于引力的作用,太阳核心附近的温度达到了1500万度,压力超过2300亿个大气压。正是在这个炼狱般的环境里,四个氢原子核(质子)能够克服巨大的库伦斥力(根据库仑定律,电荷之间排斥力与距离的平方成反比)靠近到大约10^-15米,相当于1根头发丝的500亿分之1,然后聚变为一个氦原子核,并释放出巨大的能量。

太阳的能量就来源于聚变 | nasa.gov

当今世界,由于经济的快速发展,以及一次次技术革命的推动,人类对能源的需求,显得永无止境。于是,不会发生核事故、零核废料而又能量巨大的可控核聚变,就进入了人类的视野。像中国、韩国这样油气资源有限、能源对外依存度高的国家,对可控核聚变的兴趣远远超过其他国家。此外,核聚变还可作为未来航天器的动力,让太空飞船拥有持续而充沛的动力,可以前往遥远的星系。

以更清洁的可持续能源取代传统石化燃料,是解决人类能源问题的关键 | Pernis Refinery, Rotterdam © Ernst Bode/Shell

而在地球上,我们要想利用人工技术实现核聚变,收集能源,说白了就要模拟出一个类似太阳内部的极端环境。但与太阳的四个质子聚变不同,人工核聚变装置一般诱发的是氘氚聚变。因为氘氚聚变需要克服的库仑斥力相对较小,更容易实现。每次氘氚聚变会生成一个氦核和一个中子,并释放出17.6兆电子伏的能量,其中那个中子的能量占了14.1兆电子伏,相当惊人。

氘氚聚变示意图 | atomicarchive.com

当然,这个“惊人”指的是它的能量转换效率,而不是能量总量。14.1兆电子伏听起来很多,但在现实中,连一只普通的40瓦电灯泡都无法点亮。但科学家们经过计算发现,如果1公斤氘氚混合物发生受控聚变,那么释放的能量可是3400亿千焦,是同等重量标准燃煤的1100万倍!而地球上的海水中,就含有40万亿吨聚变所需的氘,可供人类使用上亿年,彻底解决人类面临的能源问题。

1961年10月,代号“沙皇炸弹”的苏联氢弹试爆现场

其实,人类所制造的恐怖武器氢弹,就是利用原子弹爆炸形成的高温和X射线压缩效果来引发氘氚聚变,但由于核聚变不受控,它产生的恐怖能量在一瞬间就散发殆尽,人类无法将它作为持续的动力来源使用,所以就要另辟蹊径。

先捉住调皮的中子,再烧水发电!

那么,我们需要建造怎样一个黑科技设备来诱发一场人类可控制的核聚变,然后再将这些能量收集起来为我所用呢?

由于无法实现太阳内部的高压,人类就只能将设备内部温度提得更高,达到几千万度,甚至1亿度以上,此时一部分氘氚原子核的热运动速度将使其克服库伦斥力,实现胜利会师,发生聚变。

托卡马克装置内部构造图 | iaea.org

在上亿度的高温下,物质的原子核和电子已经剥离,自由的电子与光秃秃的原子核混成一团“浆糊”,这种物质就被称为等离子体。但是,温度高达1亿度的等离子体,没有任何已知材料做成的容器能把它装起来,那怎么办呢?科学家知难而进:既然等离子体中的粒子都带电,那么一个足够强大的磁场,就能把它们牢牢桎梏起来,这就是苏联专家在上世纪50年代发明的“托卡马克装置”。

“托卡马克装置”由环形真空室和磁场线圈构成,真空室中的等离子体被各个方向的磁场束缚住,形成了环状的一圈。无论是KSTAR、EAST东方超环,还是最新建成的中国环流器2号M,都属于这个类别。

有了“托卡马克装置”,是不是就能实现可控聚变,开始发电供热了呢?不好意思,还差得远。首先,至少得让聚变输出能量大于输入能量,这就要求等离子体温度要够高,密度要够大,才能让足够多的氘氚原子核发生反应。然后,聚变反应要能维持一段时间,稳定地释放出能量,不能玩一锤子买卖。

为了实现以上两点,托克马克装置需要达到尽可能高的“聚变三重积”,就是温度乘上密度再乘上约束时间。这个参数越高,越有可能实现自持的可控聚变。为了达到上亿度甚至更高的温度,科学家想了很多办法,例如向里面注入高能量的中性原子束,或者用微波来加热等离子体等。

国际热核试验堆ITER | iter.org

经过各国核能科学家和技术人员的不懈努力,美国的TFTR、英国的JET和日本的JT60三个托卡马克装置已经做到了聚变输出能量与输入能量相当,JT60的输出能量甚至比输入能量高出30%。

目前世界上参数最高,最有希望实现长时间大功率可控聚变的,是中国也参与建设的国际热核试验堆ITER。这个庞然大物的真空室直径超过12米,持续燃烧时间500秒,能实现50万千瓦的聚变功率,输出能量预计能达到输入能量的10倍。不过,ITER由于难度太大,设计方案变更,加上参与各国“众口难调”,自1985年启动后连续跳票,堪称鸽王。

根据最新的公开计划,ITER最早要到2025年,才能开始运行。当然,从积极角度讲,ITER项目也在相当程度上促进了韩国KSTAR,以及我国的中国环流器2号M的诞生与改进迭代。

假设ITER按期完工,人类就能够享受源源不绝的安全能量,或者制造出钢铁侠战甲了吗?不好意思,距离还很遥远!因为氘氚聚变产生的能量虽多,但却有80%在中子身上。中子不带电,不受磁场约束,出生之后像调皮捣蛋的闪电侠,一溜烟就跑了,实在是令科学家头疼不已。所以,如何让调皮的中子慢下来,把它身上的动能转换成热能为人类所用,依旧是个需要克服的技术问题。

对此,科学家设想的理想模式是,在设备外放一个含有锂元素的“夹心包层”。这样一来,当大规模聚变反应发生,产生的大量中子向外逃逸的时候,正好一头撞上包层中的锂元素,从而产生化学反应,不断生产出聚变需要的氚。同时,包层中的冷却剂被高速中子冲击后又迅速升温,这样就能开启现有核电厂喜闻乐见的“烧开水推动汽轮机”模式,产生人类需要的能量了!

聚变示范堆DEMO构造图 | iter.org

实现这一目标需要多久呢?根据现有公开资料,ITER的后继设备,能够进行大规模核聚变并储能的示范堆DEMO,预计在2060年才能投入运行。虽然现在听起来还比较遥远,但对于科学家来说依旧非常欣慰,毕竟人类距离受控核聚变的降临,从“永远还有五十年!”变成了“真的大概只有五十年”了。

参考文献

[1]Yeong-Kook Oh, Progress of the KSTAR Research Program Exploring the Advanced High Performance and Steady-State Plasma Operations, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 73, No. 6, September 2018, pp. 712∼735.

[2]冯开明.ITER实验包层计划综述[J].核聚变与等离子体物理,2006(03):161-169.

[3]康卫红.韩国的核聚变研究现状及发展战略[J].世界科技研究与发展,2014,36(02):210-216.

作者:人马座A

编辑:朱步冲

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