然而 , 在人们惊喜于核聚变能带来的种种好处时 , 我们必须意识到更重要的一点:这些好处的实现需要可控核聚变作为前提 。 人类早已实现非可控聚变 , 那两枚投向日本的原子弹为人类带来的并不是福音 , 而是那声令人沉思的深深叹息 。 非可控聚变就像雷电一样 , 如此巨大的能量只能破坏而不能利用实在可惜 。
怎么约束聚变反应?
目前 , 可控核聚变理论模型主要有三种:重力约束、惯性约束、磁约束 。 而国际上主流研究方向则是磁约束 。 磁约束利用强磁场约束带电粒子 , 大幅度地减小带电粒子横越磁力线扩散和导热的特性 , 使处在磁场中的高温等离子体的芯部与容器的器壁隔离开 , 构造反应腔 , 从而实现将聚变材料加热至数亿摄氏度高温的技术要求 , 进行聚变反应 。
目前性能最好的一种磁约束装置便是托卡马克装置tokamak , 俄文原意为“环流器” , 它的名字来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka),而这个了不起的“面包圈”的组成正如名字所包含的那样 , 主要包括磁体(环向场磁体及极向场磁体)、真空室及其抽气系统、供电系统 , 以及控制系统(装置控制和等离子体控制)、加热与电流驱动系统(中性束和微波)、喷气及弹丸注入系统、偏滤器及孔阑、诊断和数据采集与处理系统、包层系统、氚系统、辐射防护系统、遥控操作与维修系统等部件(子系统) 。
(图为托卡马克装置示意图 , 图片来源:
http://www.ipp.ac.cn/dakexuegongcheng/east/201010/W020110119680511208494.gif)
我国的EAST装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)全称为“全超导托卡马克核聚变实验装置” , 是中科院等离子体所自主设计研制的磁约束核聚变装置 , 2017年达成101.2 秒稳态长脉冲高约束等离子体运行记录 , 2018年达成1亿摄氏度等离子放电运行成就 。
一亿摄氏度!什么概念?
比太阳还要火热的不是恋人之间的爱情 , 也不是夏日墨西哥女郎红裙的风采 , 是我们的“人造太阳”!太阳中心温度约为两千万摄氏度 , 一亿度的“人造太阳”将近它的五倍 。
看到这里 , 相信不少人都要发问 , 这么高的温度 , 即使磁约束装置已经使等离子体不接触容器壁 , 但散发的热量难道不会把线圈熔化吗?
有关温度 , 我们澄清一个误解:科学温度计算法和我们生活有很大不同 。 4万亿度的极少量物质并不危险 。 如果水温达到50多度 , 我们就会感觉很烫;但在气雾加热室80多度的空间中 , 我们连热都感觉不到 。 这是因为空气中的高温粒子与我们皮肤接触量少之又少 。 两者粒子量相差上万倍 。
还有一个更极端的例子:在距离太阳系2亿光年的scne4623星云中 , 温度可达4亿度 。 但由于原子含量只有两千万分之一/立方厘米 , 所以我们在其中根本不会感觉热 。 同样的 , 加速器中的粒子也不会融化线圈 。
(图为部分天体赫罗图 , 横轴为温度 , 图片来源:ESO - https://www.eso.org/public/images/eso0728c/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19915788)
去年 , 我国的嫦娥四号发射升空 , 俄罗斯启动载人奔月计划 , 美国也在太空军的建立部署上有所动作 。 而掌握可控聚变能源是进军外太空不得不解锁的技能 。 《三体》中描述未来:“从此以后 , 能源不再是什么需要珍惜的东西了 。 ”这是我们最狂野的能源梦想 。
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