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袁隆平第一次培育出籼型杂交水稻;屠呦呦成功提取了青蒿素;中国第一艘核动力潜艇驶向海洋,这些我们耳熟能详并且引以为傲的事情都发生在同一年。还有一件事你可能不知道:也是在1972年,中国第一个“人造太阳”——铁芯变压器托卡马克装置(CT-6)在中科院物理所开建,两年后建成。正是从这一年起,中国正式踏上探索无尽能源的征途。

经过半个世纪的努力,中国科学家再次刷新世界纪录:利用全超导托卡马克核聚变实验装置“东方超环”(EAST)将超高温等离子体加热到1.2亿摄氏度并且维持了101秒。简单说就是“人造太阳点亮了101秒”!

中国太阳再创世界纪录

有些小伙伴很开心:我们很快就能实现核聚变发电了?电费会降吗?

电费降不降我不知道,但要想实现核聚变发电,或许你得再等49年。因为它的技术太复杂,难度实在是太大了。

太阳中心时刻都在发生核聚变,在强大的压力和极高温度下,氢原子核被强行挤压到一起变成氦原子核,在两个原子核结合的过程中向外释放能量,这使太阳持续燃烧了45亿年。

太阳内部的核聚变

海洋覆盖了地球71%的面积,我们能轻易从海水里提取氢,通过核聚变将氢变成氦,就能获得无尽的能源。核聚变不会产生二氧化碳等污染物,也不像核裂变那样产生大量放射性废料,是一种理想的未来能源。

氢原子核都带正电荷,相互之间有很强的排斥力。太阳核心有超过3000亿个大气压,只需要1500万度的高温就能将氢原子挤压到一起形成核聚变。在地球上实现如此高的压强是件不可能的事,于是科学家要想办法尽量提高温度以弥补压强的不足。

“劳森判据”曲线

到底需要达到多高温度才能实现核聚变呢?英国科学家John D. Lawson于1955年提出一条原则:当等离子体的密度×温度×约束在一起的时间>10的20次方(keV·m^-3·s)时,才有可能维持核聚变输出的能量稳定地大于输入的能量。简单讲就是你需要让压力、温度和时间三者的乘积超过这么一个数量级,才能实现核聚变。这个标准被称为“劳森判据”或者“三重积”。密度由压力决定,压力不够就需要温度凑,把温度升高到1亿度、10亿度甚至更高,再把高温的时间拉长,核聚变也有可能实现。

托卡马克磁环

科学家通过欧姆加热、波加热、中性束加热等办法可以把等离子体温度升到很高,但是地球上却找不到一个罐子来装这些极高温度的等离子体。我们已知最耐热物质的熔点还不到4500℃,任何物质在10万度高温下都直接气化,更别说1亿摄氏度了。怎么办呢?

科学家利用带电粒子与磁场相互作用的原理,打造一个电磁线圈的“笼子”,利用强大的电磁力把超高温等离子体约束在这个环形的磁场里,它跟周围不接触,也就不会熔化线圈本身。这就是托卡马克的原理。

托卡马克是一只“电老虎”,因为给等离子体加热需要极高的能量、将高温等离子体约束在磁场里也需要极高的能量,科学家盼望着磁场中等离子体发生聚变释放的能量大于输入的能量。理论大家都清楚,但做到这一点却很难。

“东方超环”实现1.2亿度101秒磁约束

首先我们需要一个比今天“东方超环”大得多的核聚变装置,它甚至比欧洲在建的ITER更大,工程难度也更复杂;其次我们需要更好更强大的磁场,但磁场既强大又稳定很难兼顾;现有的技术条件很难再达到更高的温度,这不是添几个煤球就可以解决的事情;温度上去之后,怎么保证托卡马克内壁不被高温损坏,如何研制新的耐高温抗中子的材料又成了新问题。

中国托卡马克腔体

除以上这些,高温超导托卡马克核聚变要解决的理论和技术障碍还有很多很多,科学家依然需要继续探索。这一切都离不开强大的国力支持,以及漫长的等待。

我们究竟还需要等多久才能实现核聚变发电?

如果你在2000年问这个问题,它的答案是:“50年”

2010年问,答案还是:“50年”

2020年你再问,答案依然是:“50年”!

于是“50年”成为核聚变的一个梗,我们的技术在进步,似乎正在接近那个目标,而目标却总是遥不可及。

中国核聚变技术发展路线图

然而随着中国科学家加入,并且以49年不懈努力刷新一个又一个世界纪录之后,已经决定建造我们自己的聚变工程实验堆。相信“50年”将不再是一个梦,它正变成49年、48年、47年......亲爱的读者们,你一定能盼到核聚变发电成为现实的那一天。

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