人造太陽何時能實現?技術關鍵托卡馬克裝置,仍然需要技術突破

科學求知者 發佈 2020-01-08T18:20:46+00:00

上一期,我們談到了人造太陽,是人類目前看到的最可靠的新能源之一。從這個高大上的名字就可以看出來:這是一項很高精尖的科技,不是輕易就能完成的。實際上,從1955年錢三強提出這個計劃的原型到現在,六十多多年過去了,我們依然還在探索的路上。有一些關鍵的難題,依舊還等著我們解決。

上一期,我們談到了人造太陽,是人類目前看到的最可靠的新能源之一。從這個高大上的名字就可以看出來:這是一項很高精尖的科技,不是輕易就能完成的。實際上,從1955年錢三強提出這個計劃的原型到現在,六十多多年過去了,我們依然還在探索的路上。有一些關鍵的難題,依舊還等著我們解決。

首先我們要知道:究竟是什麼原因導致核聚變難以實現。

那就是對於核聚變的控制。

如果不對核聚變加以控制,任由其肆意進行,那麼就會變成氫彈,只能帶來災難。所以,如何約束住核聚變的能量,就是一個問題了。

同時,核聚變的發生,也是一個難關。要知道,原子彈需要TNT烈性炸藥來引爆,而引爆氫彈的,是原子彈。想要讓核聚變反應發生,需要5000萬到1億攝氏度的超高溫。那麼問題來了:雖然我們現在把粒子升溫到1億攝氏度並非不可能,但是要用什麼來裝它們呢?再耐高溫的材料,也會被燒成氣體啊!

二十世紀五十年代,前蘇聯科學家提出了一種解決方案,那就是利用電磁學的原理,將反應原料加以束縛。他們根據這個方案的設計裝置所包含的部分(「環形」、「真空」、「磁」、「線圈」)為其命名,這就是托卡馬克裝置。

托卡馬克裝置的原理,就是利用強大的磁場,將被升到超高溫、處於等離子態的粒子束縛在線圈之間的真空腔內。在這裡,粒子會被加速到每秒5公里的速度,從而為核聚變提供條件。由於核聚變反應僅僅發生在真空腔的核心區域,而真空是很難導熱的,所以實現了對超高溫粒子的約束。即便如此,在真空腔周圍,溫度依然有上千攝氏度,需要耐高溫的材料來製作才行。

但是,這也會帶來一個問題:溫度越高的粒子,就越不穩定。我們知道,溫度是粒子無規則運動劇烈程度的宏觀表現。1億攝氏度,是太陽核心溫度的近7倍,因此粒子的運動將極其劇烈。因此,人類雖然可以實現這個溫度,卻很難將其完美地控制住,這也就是目前全世界托卡馬克裝置所面臨的最大問題之一。

畢竟,我們需要的是一個持續不斷功能的核電站,而不是抽風一樣隔三差五給一次巨大能量的裝置。於是,實現對核聚變反應的控制,成為了所有科學家面臨、需要攜手攻克的最重要難關。

2006年的時候,國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃正式簽署,我國和美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度加入其中。我國的托卡馬克裝置,叫做全超導托卡馬克核聚變實驗裝置,簡稱EAST。

令人欣喜的是,在這個方面,我國走在了世界的前列。2017年,EAST實現了長達101.2秒的穩態長脈衝高約束等離子體運行,這也是全世界範圍內第一次實現超過100秒的穩態運行。

不過,我們也要意識到,這個時間長度,也並不是終點。只有一直穩定運行下去,才可能真正實現核聚變發電。為此,我們還有很長的路要走。

除此之外,還有很多問題,需要科學家們解決。我們說了,EAST是超導托卡馬克,也就是說要利用超導體。而目前人類發現的超導體,都需要在極低溫才會出現。裝置外只比絕對零度高几個攝氏度,內部又要達到一億攝氏度,這個溫度差的控制也是極大的挑戰。

據中科院萬元熙院士介紹,我國計劃的第一個原型聚變工程堆的時間點,大約是2050年。也就是說,這還需要30年的時間。看起來,這是一個愚公移山的項目。前人栽樹,後人乘涼。為了人類發展事業而奮鬥的人們,才是人類真正的英雄。

當然,托卡馬克也未必就是可控核聚變反應的唯一解。條條大道通羅馬,也許未來的某一天,就會有新的裝置可以完美地解決這個問題。而且,即使是在現在,科學家也不止有這一個方案。目前來說,還有一種仿星器裝置,雖然還不像托卡馬克這麼被寄予厚望,但也不能排除它未來逆襲的可能。

總之,人類對於新能源的探索已經刻不容緩。早日實現清潔能源的全面利用,就可以早一天拯救地球於水火之中,也是人類自救的重要一步。

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