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        “東方超環(huán)”,離“無限”能源更近一步

        2020-07-14 04:49:55一只大黑貓
        科學(xué)Fans 2020年6期
        關(guān)鍵詞:磁場

        一只大黑貓

        未來社會的“主流”能源

        目前人類社會使用的主要能源,依然是化學(xué)能——燃燒石油或者煤炭所產(chǎn)生的能量。但是無論石油還是煤炭,資源總有枯竭的一天,而核能,則可能是繼化學(xué)能之后,人類社會最主要的能源?,F(xiàn)在人類所能掌握的可控核能轉(zhuǎn)化技術(shù)是核裂變,但是裂變反應(yīng)后會產(chǎn)生放射性核廢料,具有一定風(fēng)險,遠有切爾諾貝利,近有日本福島,往往都讓人談“核”色變。

        與之相對的是核聚變。在《流浪地球》中,“燒石頭”的行星發(fā)動機采用的正是核聚變技術(shù),而在現(xiàn)實中則是利用從氫的同位素氘和氚實現(xiàn)核聚變。比起核裂變,核聚變技術(shù)就安全許多,氘氚核聚變產(chǎn)物主要是沒有放射性的氦和中子,因此是一種清潔能源。而且從理論上來說,每一升海水提取的氘,通過核聚變能釋放相當于300升汽油燃燒的能量。因此,核聚變被認為是未來徹底解決人類能源問題的重要途徑。

        核聚變反應(yīng)原理

        困難的“可控”

        然而,實現(xiàn)聚變并不容易。由于原子核都帶正電,相互間有強大的電斥力,必須為它們提供巨大的動能,才能讓它們克服斥力發(fā)生碰撞,進而在強相互作用力的影響下聚合。而且,原子核碰撞后聚變的概率也不高,只有讓含有海量數(shù)字原子核的等離子,在一定單位的空間里密集聚集,才能維持穩(wěn)定的核聚變反應(yīng)狀態(tài)。上面那句話,說得更直白一些就是要讓等離子體獲得穩(wěn)定的的高溫、高壓和占據(jù)適當?shù)捏w積。

        恒星都是典型的天然核聚變“反應(yīng)堆”,它們自身有著龐大的體積與質(zhì)量,并通過萬有引力實現(xiàn)聚變。以太陽為例,其內(nèi)部溫度高達1500萬攝氏度,壓力高達3000億個大氣壓,這保證了它能在數(shù)十億年的時間里,穩(wěn)定地將光和熱散發(fā)到宇宙中。

        我們要造的核聚變反應(yīng)堆,自然不可能有恒星那樣巨大的體積,因此維持核聚變需要更高溫度和壓力。人類現(xiàn)在可以通過原子彈爆炸產(chǎn)生的超高溫高壓環(huán)境來實現(xiàn)核聚變,并由此制造出了武器——氫彈。但難就難在“可控”兩個字上,氫彈爆炸瞬間中心溫度可高達2億攝氏度,任何固體都不能承受這樣的高溫,因此這種聚變也無法穩(wěn)定控制。人們想出的解決方案,就是用沒有實質(zhì)的“場”來對聚變反應(yīng)的中心進行約束。目前科學(xué)界具體有兩種不同思路:

        慣性約束

        用大功率激光照射聚變?nèi)剂习?,讓聚變?nèi)剂舷騼?nèi)壓縮,迫使聚變?nèi)剂现械脑雍嗽谧陨響T性作用下,在極短時間內(nèi)迅速積聚并加熱到極高溫度,從而發(fā)生聚變反應(yīng)。

        磁約束

        利用原子核帶電的特點,由電磁力來約束和加熱。由于電磁場可以保持長期穩(wěn)定,目前學(xué)界多數(shù)科學(xué)家認為,磁約束是較易實現(xiàn)穩(wěn)定可控核聚變的方式。

        以人類現(xiàn)有技術(shù)水平,上述兩種思路都還不成熟,無法投入實際商業(yè)化運用。而“東方超環(huán)”就是采用磁約束控制的實驗裝置。

        精密的“磁籠”

        磁約束的原理是帶電粒子在磁場中運動時,會受到電磁力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)。只要用磁場設(shè)計出合適的“磁籠”,就能讓粒子像在操場上跑步一樣沿閉合軌道環(huán)形運動。這樣不僅能避免上億攝氏度的高溫等離子體接觸固體的反應(yīng)堆外殼,還能通過磁場的脈沖變化,像微波爐一樣對等離子體進行加熱,從而實現(xiàn)核聚變的持續(xù)可控化。

        理論聽起來很簡單,但等離子體由海量原子核和電子構(gòu)成,這些帶電粒子還會隨溫度和壓力的變化,不斷改變速度和運動軌跡。因此要實現(xiàn)穩(wěn)定高溫,必須先獲得足夠強的磁場和對其精密控制,各種磁約束裝置在設(shè)計和制造上都有很高的難度。

        以“東方超環(huán)”為例,它實質(zhì)上是由磁體、等離子體容器以及外圍設(shè)備構(gòu)成的“磁籠”。

        磁體

        由超導(dǎo)體材料制成,有環(huán)形以及“D”形,通過高精度可靠電源供電后生成強磁場。

        等離子體容器

        容納等離子發(fā)生反應(yīng)的設(shè)備,需要維持很高的真空度,并需要有承受中子和失去約束的原子核轟擊的強度。

        “磁籠”示意圖

        漫長的征程

        早在20世紀50年代,關(guān)于磁約束可控核聚變的研究就開始投入實驗,但幾十年來,這個技術(shù)仍然一直停留在實驗階段。這是因為要讓氘氚聚變發(fā)電真正的實用化,且具有較高的經(jīng)濟性,就需要可控核聚變反應(yīng)達到更高溫度和更長持續(xù)時間,這對裝置性能提出了新的要求,如需要磁場更強的超導(dǎo)磁體等。因此每一次反應(yīng)溫度的提高,或者每一秒持續(xù)時間的延長,其背后都需要全世界相關(guān)的研究機構(gòu),以及成千上萬的科技人員攻克無數(shù)的難題?!皷|方超環(huán)”在這方面取得的歷史突破,在2019年10期雜志中有過詳細介紹,在此不再贅述。而這次的1億攝氏度下維持10秒鐘的聚變反應(yīng),雖然離技術(shù)實用化依然遙遠,但仍然是一次重大突破。

        值得一提的是,從2017年起,中國啟動了完全自主的聚變工程實驗堆(代號CFETR)計劃。計劃2021年開始建設(shè),2035年完成并投入實驗,2050年建設(shè)商業(yè)化的示范聚變反應(yīng)堆,這也是國內(nèi)科學(xué)家為最終解決能源問題規(guī)劃的路線圖?!盁o限”能源征程依舊漫長,未來讓我們拭目以待。

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