「本文来源:中国数字科技馆」
文/苏伐
在中华古代传说当中,“后羿射日”可谓是家喻户晓的一个。在这个故事里,十日同天,大旱不止,人民苦不堪言。为了拯救苍生,神射手后羿便张弓搭箭,射下了九个太阳。斗转星移,人类的视野已然从脚下的一亩三分地投向更为广阔的星辰大海。当年需要“射下”太阳的中华民族现在要让天穹多一颗明亮的“中国太阳”!
说到“中国太阳”,当年刘慈欣也写过一篇著名的科幻小说,还就叫《中国太阳》。但很可惜,这次不是著名科幻小说变成现实的梦幻联动,大刘写的“中国太阳”和我国现在正在搞的这个,并不是同一个东西。
在大刘的《中国太阳》里,“中国太阳”是一项“改造国土生态的超大型工程”,使用纳米镜膜在地球同步轨道建造的反射镜面,通过反射太阳光在天空中造出一个“人造太阳”,再通过“人造太阳”的照射来改变大气的热平衡来影响大气环流、增加海洋蒸发量、移动锋面等等,改变地区气候,比如给干旱的西北带来更多降水。
而我国现在搞的中国太阳,是一项清洁能源工程,也就是传说中的“可控核聚变”。在大刘的《三体》中,可控核聚变是人类科技被智子锁死后最重要的技术突破之一,也正是利用这项技术,才使得人类能够解决恒星级战舰以及掩体纪元中太空城的能源问题。
而《三体》中的名场面章北海杀人,也是因为工质核聚变发动机与无工质核聚变发动机的研究方向之争。
那么,“可控核聚变”到底是什么技术?现实中的中国太阳是怎么实现的呢?以及,可控核聚变为什么被叫作“中国太阳”?
什么是可控核聚变
要说可控核聚变,显然要先讲讲核聚变。我们在中学物理都学过原子核能,是因为原子核结构发生变化所释放的能量,也叫作核能或是原子能。
原子核能分为核聚变和核裂变。简单地说,核聚变就是两个或多个原子(或原子核)聚合成一个原子,核裂变就是一个原子分裂成两个或多个原子(和其他粒子)。在聚变和裂变的过程中,都会释放出巨大的能量。
最早的原子核能是不可控的,被应用在武器中,也就是通常所说的核武器。利用质量较大的原子(如铀、钚)裂变而制造的核武器称为原子弹,比如二战后期美军在日本广岛和长崎丢下的;利用质量较轻的原子核(如氘、氚)聚变而制造的武器称为氢弹。氢弹在实战中没有使用过,但中、美等国都拥有氢弹技术,并且拥有氢弹。
原子核能这个东西,释放的能量巨大,无论毁灭还是利用,都是价值非常高的能源。核裂变和核聚变相比,核裂变技术难度低一下些,但核聚变的能量更大。因此,和第一个核武器是核裂变的原子弹一样,最先的可控核技术也是可控核裂变。
也就是我们现在的核电站。
核电站的原理和热电站有些类似,都是利用热能将水蒸发成高压蒸汽,利用高压蒸汽推动汽轮机发电。不过热电站利用的是化石燃料产生热能,而核电站是利用核裂变产生热能。这也就是为什么经常有人开玩笑,说“利用核能就是烧开水”。
我国现在拥有浙江的秦山核电站、广东的大亚湾核电站和江苏的田湾核电站,可控核裂变技术位于世界前列。
但令人遗憾的是,可控核聚变技术现在仍在研究之中。
比如我们的“中国太阳”。
为什么叫中国太阳
虽然叫“中国太阳”,但从外观上来看,和太阳可没有任何相似之处。现在研究的可控核聚变设备是一个巨大的核反应堆,放眼望去只看得到满眼金属的颜色,也不是球形的,看起来可真是一点儿也不像太阳。
核聚变并不是全部都是人为,事实上更广泛更普遍的核聚变是自然产生的,只不过不在我们的地球上,而是在宇宙之中。
就是在太阳以及其他恒星上。
太阳的发光发热,就是因为在太阳上接连不断的核聚变,相当于太阳上无时无刻有氢弹爆炸。这些光和热量传播到地球上,才有了人类和所有生物赖以生存的家园。
而可控核聚变,也正是和太阳一样,利用核聚变来为世界提供能源。因此在各国的研究中都被称作“人造太阳”,而我们中国设计研发的,就是“中国太阳”。
上面说到过,核聚变就是将氘或者氚聚合成新原子,同时释放出能量。最早的核聚变是在实验室中,将加速后的氘原子核以极高的速度撞击氚原子核,形成一个新原子(氦原子)和自由中子,并释放了能量。之后的核聚变无论军用还是民用,不可控还是可控,原理都与之相同,都是利用高速的氘和氚撞击。
氘和氚都是氢的同位素。在实验中分离并单个加速一个原子核不难做到,但要使大量氘和氚高速撞击,显然需要更有效率的批量方式。
解决的办法,就是加热。
我们都知道,物质有固态、液态和气态三种形态。但实际上,物质还有第四态,也就是等离子体。等离子体也称作电浆,是发生了一定程度电离的气体。如果把氘和氚加热到极高的温度,它们就会电离成等离子体,原子核和电子不再受库仑力的约束,可以理解成把原子核和电子分开了。其他三种形态下,原子和电子是拖家带口的,就像坐在一辆车上的一大家子,但在离子态下它们不坐一辆车了,各自都有自己的小电驴,自由自在地单独行动了。
等离子态下的氘原子核和氚原子核因为极高的温度,做着速度极高、非常剧烈的布朗运动。它们猛烈地撞击,融合成氦原子,发生核聚变,释放能量。
中国太阳是怎么实现的
前面说到,核聚变需要将氘和氚加热到极高的温度。事实上,这个温度是超过常人理解的——需要上亿摄氏度。
这得什么样的材料,才能不烧穿啊!
对反应堆的加热,当然不是直接在反应堆下生火了,也不是用别的方式在反应堆的外壳直接加热。而是利用等离子体的特性加热。
等离子态除了温度特别高之外,和固态、液态、气态还有什么区别?是电离啊——等离子态下原子核和电子是完全电离的,而我们都知道,原子核带正电,电子带负电。
也就是说这时候的物质,就是一锅带电粒子啊。
带电粒子自然就能导电,也有电阻,能利用电的热效应,也就是欧姆加热。还可以利用微波加热,比如电子回旋共振加热,或是对气体进行压缩来提升温度。
但材料烧穿的问题依然没有解决——没有容器装得下这一锅离子汤啊。
想象一下熔化的铁水,如果倒进塑料杯子里是不是直接就被烧穿了?铁水会把塑料烧个洞漏下来。现有的材料没有能够承受得住上亿的温度,但好消息是,等离子体不是一般的物质。
就像我们上面说过的,它们是带电荷的物质。
带电的粒子能被磁场俘获啊!
中国太阳利用的是一个叫托卡马克的装置,也就是一个利用磁场约束高温等离子体的装置。
托卡马克是非常著名的可控核聚变模型,连钢铁侠的方舟反应炉设计,就是借鉴了托卡马克的原理。
*四川成都HL-2A托卡马克装置
托卡马克是上个世纪50年代由前苏联的研究人员发明的,是一种利用磁场约束来实现可控核聚变的环形容器,因此也被称作环磁机。我们的“中国太阳”用的也就是这种技术。中国太阳的全称是先进实验超导托卡马克实验装置(ExperimentalAdvancedSuperconductingTokamak),取首字母简称为EAST。
虽然托卡马克是前苏联发明的,但EAST中有大量技术都是我国自主研发的,核心技术多项,专利近0项,首次在国际上采用全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器、稳态高功率波加热等关键技术。
虽然我们这次取得了突破,但全世界的可控核聚变装置燃烧时间都是以秒来计算的,我国刚刚取得的世界纪录是1.2亿摄氏度下秒,而之前的记录是韩国的,只有20秒,这次足足是5倍之多。
也许未来,我们能广泛使用可控的核聚变,彻底解决这个世界的能源危机。