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中国人造太阳创造新纪录!漫画了解一下

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  4月12日21时,有“人造太阳”之称的中国全超导托卡马克核聚变实验装置EAST创造新纪录,成功实现稳态高约束模式等离子体运行

  那么,什么是“人造太阳”?为何需要研究“人造太阳”?怎么来实现可控核聚变?……通过漫画来了解下吧!

  从工业革命到现在,人类对能源的需求慢慢的变大。人类主要消耗的化石能源(石油、天然气、煤炭等)是存储了过去亿万年光合作用产生的能量。然而,按照人类现在的使用速度,化石能源的开采最多只能再持续两三百年,而且化石能源的使用还容易对地球环境能够造成巨大的破坏。

  根据国家统计局的公开信息,2022年中国工业发电量8.4万亿千瓦时,其中火力发电约占7成,水电、核电、风电和太阳能发电等清洁能源约占3成。

  一方面,开发新型能源,积极利用再次生产的能源,如风能、太阳能、水能、地热、潮汐能、生物能等。

  “节流”功能毕竟有限,想要“环保”、“开源”,科学家绞尽脑汁。其实,答案远在天边,近在眼前。

  “万物生长靠太阳”,这是人类早已知晓的真理。太阳为什么能量巨大?因为它是一个巨大的等离子体,在它的内部持续进行着核聚变反应,每秒转化的能量就等于200亿颗千万吨级别的氢弹同时爆炸。

  如果我们能利用核聚变释放的能量发电,1克的质量亏损转换成能量相当于2500万度电,可以让功率1000瓦的电器运转2500万小时。

  不过,理想很丰满,现实很骨感。目前人类只能实现氢弹这种不可控的核聚变反应,想要实现可控核聚变,有两大困难摆在科学家们的面前。

  第二,核聚变反应的条件,高温度高压力:要使核聚变能持续进行,需要超过1亿度(~10keV)的高温。

  20世纪60年代,前苏联研究机构设计了一个叫做托卡马克(Tokamak)的实现可控核聚变的实验装置。Tokamak来自俄语缩写,字面意思就是,“环形真空磁线圈”。

  说到“磁线圈”,你有没有感到中学物理的回忆在攻击你?现在,让我们来回忆一下“左手定则”~~

  带电粒子在垂直于磁力线的方向围绕磁力线做回旋运动,在沿着磁力线的方向自由运动。

  如果带电粒子既有垂直于磁力线的分速度,又有平行磁力线方向的分速度,它就会绕着磁力线做螺旋运动。

  在托卡马克的真空腔内,磁力线形成封闭的环形,带电粒子就转着小圈沿着封闭的环形运动。带电粒子像被卷在磁力线上了,这就是“磁约束”。正如引力束缚保持住太阳的形状,“磁约束”是科学家控制住“人造太阳”的法宝。

  不过,要束缚住高温的带电粒子,普通导体线圈产生的磁场还不够优秀,科学家想到了超导材料,它能更好地保障稳态运行。

  线圈中超导材料浸泡在液氦中,液氦温度大约在-269℃,这时候超导材料的电阻完全消失,从而得到超强磁场。

  实际上托卡马克的磁场更复杂些,除了环形磁场线圈,还有极向磁场线圈和中心磁线管,这样就交织成一个严严实实的“磁笼子”,参与聚变反应的高温等离子体就被关起来,逃不出去了。

  参与聚变的等离子体材料悬浮在托卡马克的空腔中,要达到聚变的条件,等离子体的温度要达到上亿度,比太阳核心的温度还要高。如何把材料加热到这么高的温度呢?

  科学家前期利用等离子体本身的电阻效应加热(欧姆效应),但是等离子体电阻随温度上升迅速降低,单纯依靠电阻效应升温有天花板。

  要继续升温,还会用到射频波加热和中性束粒子加热。波加热原理和微波炉类似,通过注入相应频率的电磁波,等离子体中吸收共振实现加热;中性束粒子加热是通过加速器产生高能粒子流,注入等离子体中,通过碰撞等过程把能量传递给等离子体,实现加热。

  达到聚变需要的高温后,如何把高温等离子体约束更长的时间也是科学家要攻克的难题。

  随着时间的推移,有一些高温的粒子从“磁笼”中逃出来,撞到壁上,使器壁受损并产生杂质。更大的麻烦是聚变产生的中子,中子不带电,磁约束对它无效,中子辐照对器壁的损伤非常大。所以,改进器壁材料,减少杂质,是科学家需要着重攻关的课题。运行时间一长,还要及时排出累积的热和粒子。

  要顾及的方方面面很多,约束、加热、辐射、排灰……对精确控制的要求很高。悬浮的高温聚变等离子体一旦偏心,碰啥烧啥。

  2021年12月30日,中国“人造太阳”EAST实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行,不要小看这十几分钟,这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

  2006年,中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国共同签署了国际热核聚变实验堆(ITER)计划。目的是建造世界上第一个受控热核聚变实验反应堆,计划以50MW(MW即兆瓦)的能量的输入,产生500MW的能量(核聚变释放的能量要大于辅助加热的能量)。托卡马克装置的负责人李建刚院士也曾是ITER的理事之一。

  我们期待着有一天,人造太阳能够解决我们的能源问题,到当时,世界每一个角落,都会变得温暖又明亮!

  [1] 氘-氚反应是最容易实现核聚变的方式,但是燃料氚T在自然界不存在,一定要通过其他方式得到,价格昂贵(100万美元1克);氘-氦反应条件仅次于氘氚,氦3在地球上储量有限,也很贵(几万美元1克);氘-氘聚变最大的优点是原料丰富,缺点是反应条件比氘-氚高两个数量级。

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