半个世纪的 “人造太阳”梦逐步实现,永久解决能源问题还要多久?

当我们越来越离不开能源时,一个「人造太阳」的想法便产生了——如今已 45.7 亿岁的太阳正不断通过核聚变向太空释放光和热,如果核聚变可控,它将成为未来世界的能量来源,永久解决人类社会能源与环境问题

那么,只要设计出一个巨型装置产生核聚变反应,是不是就能制造出第二个太阳了呢?

为了解答这一问题,各国政府、科学家、商业公司都参与了进来,「人造太阳」的梦想也逐步实现。

甜甜圈里的巨大能量

所谓核聚变,其原理就是核外电子在极高的温度和压力下摆脱原子核的束缚,使得两个原子核互相吸引而碰撞到一起互相聚合,从而形成质量更重的原子核;与此同时,中子也逃离了原子核的束缚,因此便有了巨大的能量释放。

为了进行这样一种核反应,苏联科学家设计了一种特殊装置——「托卡马克」(Tokamak)。

二战末期,苏、美、英等国都在进行核聚变研究,旨在用于军事目的。20 世纪 50 年代,苏联库尔恰托夫研究所的一个科研团队便发明了一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器托卡马克。

装置的主要特征其实不难从其名称看出——Tokamak 由环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)四个单词组合而成。

托卡马克的核心是一个真空室,形状类似于甜甜圈。

要进行核聚变,科学家们要做一些准备工作——先抽出真空室里的空气和杂质,接着给能够限制、控制等离子体的磁体系统充电,并引入气态燃料。

受到极高的温度、压力的影响,真空室里的气态氢燃料会发生电分解,电离并形成等离子体。当等离子体粒子被激发并碰撞时温度升高,达到熔融温度(1.5-3 亿摄氏度)。在达到这种程度后,粒子便克服碰撞时的自然电磁排斥力进行融合,大量能量由此释放。

【图源 SELF 格致论道讲坛】

1968 年 8 月,在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上,库尔恰托夫研究所研究团队的阿齐莫维齐宣布了受控核聚变领域研究的重大突破(电子温度 1keV,质子温度 0.5keV,nτ=10 的 18 次方 m-3.s)。

此后,一股托克马克风潮掀起,各国研究院所开始自主建造或在苏联的基础上改建,希望利用托卡马克(雷锋网 (公众号:雷锋网)注:托卡马克被认为是最有优势的受控核聚变装置)进行受控核聚变研究。其中就包括美国普林斯顿大学、美国橡树岭国家实验室、法国冯克奈 - 奥 - 罗兹研究所、英国卡拉姆实验室、西德马克斯 - 普朗克研究所等等。

七国一起造太阳

正如上文所述,研究核聚变不仅仅是科学家的事,也涉及到了政治因素。

1985 年,尽管还在冷战期间,美国总统里根和前苏联总统戈尔巴乔夫仍在某次首脑会议上倡议开展一项国际核聚变研究合作。

同年,在国际原子能机构(IAEA)的主持下,「国际热核聚变实验堆」(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)计划创立。

1987 年,国际原子能机构总干事邀请欧共体、日、美、加、苏联等国的代表共同探讨并达成协议合作建造。次年,研究设计工作正式开始。

本质上,ITER 是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克,也被称为文章开头所说的「人造太阳」。

造一个 “太阳”谈何容易。一直到 13 年后的 2001 年,耗资 15 亿美元的 ITER  工程设计工作完成。

2006 年 5 月,在经过 5 年谈判后,我国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了 ITER 计划协定。

2007 年,作为一项国际大科学工程计划, ITER  在法国启动,最初计划于 2016 年完成,耗资 110 亿美元。然而,ITER 计划是仅次于国际空间站的国际大科学工程计划,进展也并不顺利。

2020 年 4 月底,施工人员开始安装 ITER  托卡马克的首个主要部件。

实际上,此次新冠疫情也影响了工程进度——施工现场的工作人员数从 2500 削减至 700。

雷锋网在 ITER 官网留意到,截止 2020 年 4 月 30 日,第一个等离子体完成进度为 69.3%。

能把进度条放在官网的醒目位置,可见 ITER 团队对这一项目既有期待也有焦虑。

据悉,ITER 团队计划在 2021 年底前将主要部件运到现场,希望在 2025 年 12 月前启动「人造太阳」,届时,世界上最大的托卡马克装置也将问世。

中国 “太阳”创世界纪录

实际上,自 1968 年 8 月的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议后,我国科研力量也逐步开始投入了托卡马克装置的研究。

早在 1990 年,中国国家科学院等离子所就开始组织兴建大型超导托卡马克装置,当时也是受到了来自俄、美、欧盟等地专家的大力支持。

1993 年,我国建成了 HT-7,成为继俄、法、日(分别为 Tore-Supra、T-15、JT-60U)后第四个拥有同类大型装置的国家。

值得一提的是,HT-7 源自苏联方面赠送给中国的 T-7 装置,不过 T-7 装置原本不具备物理实验功能。经过改造,HT-7  能够开展多种实验

在 HT-7 的基础上,1998 年大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置 HT-7U 立项。

2003 年 10 月,HT-7U 正式改名为 EAST,即 Experimental and Advanced Superconducting Tokamak,也就是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克、令中国走在世界可控核聚变前列的 “东方超环”。

2006 年,EAST 工程全面完成,两次放电调试都获得了稳定、重复和可控的等离子体。

2009 年,“东方的太阳”也迎来了它的高光时刻——首轮物理放电实验成功,这标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。

前不久,EAST 再次取得重大突破,等离子体中心电子温度首次实现 1 亿摄氏度运行近 10 秒。

不过,虽然成绩喜人,不少人更为关注的应该是如何应用。

据 SELF 格致论道讲坛报道,此前中国工程院院士、中科院等离子体物理研究所研究员李建刚表示:

我们现在正在做实验装置、参加 ITER,但是希望十年以后能建造中国自己的工程堆,这样才能够验证发电。有了这个东西以后,在 50 年到 60 年之间就能商用化。

「人造太阳」的梦想始于半个世纪以前,如今梦想逐步走向现实,究竟可控核聚变何时会真正惠及人类,我们拭目以待。

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