人类能源终极梦想!可控核聚变,到底还要等多久?

开头

朋友,今天我们来干一票大的。

首先,你要创造出一个极高温的环境,有多高呢?1亿摄氏度。


【资料图】

就知道你对这个数字没什么概念,这么说吧,太阳中心的温度也才1500万摄氏度。

你的工作就是要在地球上造出一个“小太阳”。在这样的高温下,物质会全部电离,形成高温等离子体。

接下来,我们还要给这样的环境创造出极大的压强。

给你一个参考值,太阳中心的压强就达到了3000亿倍大气压,这个高压是为了缩小原子核之间的间距,大大提高原子核相撞的概率。

但是新的问题来了:怎样才能装下这样一个小太阳呢?

呐!送你一个托卡马克装置,它就是利用磁场来约束等离子体,使它们悬浮在真空中。

这还没完,我们的伟大事业还缺少了一项关键条件,足够长的能量约束时间。

这个很好理解,我们为了创造出高温高压的环境,是需要很大能量的,但我们不能亏本啊。

所以就尽可能的让里面的高温等离子体维持足够长的时间,以让输出的能量大于输入能量,这样我们才有的赚。

到这里,估计我的粉丝朋友都知道要干什么了吧,对,就是核聚变。

你要是把这个项目做成了,诺贝尔奖什么的随便你拿。

核聚变

说起核能的发展,就不得不提到爱因斯坦著名的质能方程E=mc²,这个方程式揭示了物质和能量是可以相互转换的。

比如原来有1公斤的铀,在发生了核裂变反应后,铀元素衰变成了其他元素,重量就剩下了0.9公斤,那其他质量呢?

确实是消失了,它以能量的形式释放出来了,而且是光速的平方那么大的规模。

而想要获得这巨大的能量,目前主要通过两种方式:核裂变 — 将原子核分裂成若干部分;以及核聚变 — 将原子核融合在一起。

核裂变我们之前聊过,它的原料铀-235在天然矿石中的含量只有0.7%,开采难度很大,没有几千个离心机都搞不定。

而且它的放射性还非常强,自从发生了日本福岛核事故后,德国都准备全面关停核电站。

虽然如今的第三代核电机组在安全性上做了不少加固措施,确实不会再发生对外的核泄漏事故。

但是核废料的处理依旧是一个大麻烦,那些放射性元素的半衰期动辄就是几百甚至上万年。

总之一句话,在核裂变的技术路线上总感觉还不够完美。

但核聚变就不一样了。

核聚变是将较轻的原子核在一定条件下结合成较重的原子核,在这个过程中会释放出巨大能量。

从理论上讲,在同等质量下,核聚变可以产生比核裂变高出四倍多的能量。

只需要有几克这样的反应物,就能产生一万亿焦耳的能量,这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量总和。

从原料上来看,核聚变使用的是氢的同位素 - 氘和氚,它们在海水中大量存在。

每1升海水中含30毫克氘,它聚变产生的能量相当于300升汽油,而氚是可以通过锂来获得。

如果把自然界的氘和氚全部用于聚变反应,释放出来的能量足够人类使用100亿年。

最后,就是安全问题。

核聚变反应只能在极端条件下发生,比如超过1亿摄氏度的高温,以及超高压。一旦聚变反应停止,放射性物质就不会持续产生,更不会发生像核裂变那样失控的链式反应。

而且核聚变在反应结束后,是不会产生高放射性、长寿命的核废物。

当前,大多数的实验聚变装置都使用氘和氚的混合物作为燃料,他们通过聚变反应后生成氦,氘和氦都没有放射性,而即使是有放射性的氚,它的半衰期只有12.43年。

从这点上来看,相较于核裂变,核聚变确实可以称得上是清洁能源了。

核聚变装置

哦,对了,目前人类正在研究的是氘和氚的核聚变,缺点就是会产生大量的中子。

而中子不带电,没法用磁场约束,这样就会造成核聚变装置的内壁会持续遭到中子的轰击,产生放射性,因此需要不断地更换内壁。

而用氦-3发起的核聚变反应是不会产生中子的。

正因为如此,氦-3才被认为是完美的核聚变燃料。但地球上的氦-3只有500公斤左右,这就导致了氦-3非常昂贵,每吨价值30亿美元。

不过,探测数据表明,月球表面就存在着大量的氦-3,初步估计其储量有上百万吨。

100多吨的氦-3就足够全人类一年的用电需求了,这就是为什么现在各大国对重返月球都有那么大兴趣的原因。

而要想上月球开采氦-3,估计还有点远,我们还是来看看地球上的核聚变到什么地步了。

自20世纪30年代以来,科学家们就一直在寻求复制和利用核聚变。最初,这些研究都是各搞各的。

然而,人们很快就发现,这种复杂而昂贵的研究只能通过协作来实现,于是就诞生了国际热核聚变实验堆计划的项目,简称ITER。

ITER计划倡议于1985年,并于1988年开始实验堆的研究设计工作。

到了2006年,中美欧俄日韩印七方共同签约,决定在法国建造国际热核聚变实验反应堆,这个项目成为了仅次于国际空间站的国际大科学工程计划。

作为世界上第一个大型托卡马克聚变试验堆,ITER工程体量巨大。

目前在法国南部建造的托卡马克装置高30米,直径28米,重达2.3万吨。

磁体系统共包括18个环向场线圈,其中一个线圈的重量就与波音747相当。而一个内真空室重量比法国埃菲尔铁塔还重。

目前该反应堆的完成率超过70%,预计在2035年进行氘氚聚变实验,在2050年左右实现核聚变商业应用。

中国进展

由于ITER是一个多国合作的项目,项目计划还时常拖延,你怎么能把希望寄托在各怀心机的国际团队上呢?

所以我国从独立自主的角度出发,集中力量办大事,打造了属于中国人自己的聚变工程实验堆,简称CFETR。

这项工程打算分三步走,2021年开始立项建设,2035年实验堆建成,开始大规模科学实验,2050年,聚变工程实验堆实验成功,建设商业示范堆。

除此之外,中国还先后建成了一些研究性的核聚变反应装置。

2021年5月,中科院的“东方超环EAST”实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒,和1.6亿摄氏度20秒的等离子体运行,创造了新的世界纪录。

不久之后,在同年12月,东方超环实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,这是目前世界上托卡马克装置实现的最长时间。

2022年,中核西南物理研究院的环流器二号M装置(简称HL-2M)实现了1.5亿摄氏度的运行,百万安培等离子体电流的输出,创造了我国可控核聚变装置的运行新记录。

从这些成绩就可以看出来,中国已经达到可以引发核聚变的必要条件。

但条件满足后,并不一定就能实现核聚变,还有很多问题亟待解决,例如如何达到足够长的能量维持时间,如何让输出能量大于输入能量,如何将成本实现最小化等。

结尾

如果在上个世纪,你问科学家核聚变大概什么时候能实现,他们会说50年,而如果现在去问,他们还是会说50年。

好吧,这就有点光速不变的味道了。

但不管怎么说,现在业内人士普遍认为2050年可能是核聚变实现突破的一个关键节点。

其实,核聚变技术早已经在理论上验证了其可行性,氢弹都已经搞出来了,只是不可控,现在人类要做的就是实现工程技术上的突破。

而一旦成功运行,那么人类就可以逐步摆脱对化石能源的依赖,全球碳排放以及地球资源危机等问题都可以迎刃而解。

不仅如此,拥有无限的能源还可以让人类的文明等级有一个极大的跃迁,直接进化到行星级文明。到那时候,在星际之间穿梭就不再是个幻想。

关注我,下一期我们来聊聊核聚变实现以后,人类社会会是个什么样子。

关键词: 等离子体 托卡马克 聚变反应

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