向终极能源靠近! 我国可控核聚变突破有何重大意义?
近日,中国的新一代“人造太阳”——“中国环流三号”首次实现了100万安倍等离子体电流下的高约束模式运行,取得了重大的科学进展。

突破了多个关键技术难题,如等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制,我国在可控核聚变的研究历程当中又迈进了重要的一步。

为什么我们要追求可控核聚变?
能源,决定了人类在地球上能生存多久。人类对能源的开发程度越高,往往也标志着文明的程度更高。
可控核聚变经常被人们称为终极能源。只要我们掌握了可控核聚变的技术,那么相当于我们只要用少量的质量就可以获取巨大的能源,从某种程度上来说,我们就拥有了用不完的能源。
一方面,这种能源干净绿色,对地球的环境和气候百利无一害;另一方面,可控核聚变蕴含的巨大能量或许是人类未来向深空进发的关键力量!

那么核聚变的原理是什么呢?
我们的太阳为什么可以一直发热?其实就是因为太阳内部一直进行着核聚变。
当质量较小的原子,在高温高压下会让核外的电子摆脱原子核,两个原子核相互吸引、碰撞,从而产生更大的原子核。这一过程会释放巨大的能量,根据爱因斯坦的理论,这一过程就是通过质量的损失来换取巨大的能量。

这个过程说起来很简单,但是要实现却是相当困难的。
我们所熟知的氢弹,它的原理就是核聚变。但是点燃氢弹只需要一瞬间的高温,对燃料的质量也不需要太多。但是可控核聚变却是需要让高温一直维持,且能够持续输出能量。

太阳就是我们最理想的可控核聚变的样子。太阳核心的温度达1500万度,而压力就高达上千万个大气压。地球上哪里有这种高温高压的环境呢?于是科学家发明了一种托卡马克装置,这种装置能够用来约束等离子体电子,帮助人类创造高温高压环境。托卡马克的温度其实早就超过了太阳的核心温度了,为什么我们实现可控核聚变还是这么困难呢?

按照物理学理论,我们只要给物质加热,增大原子核的平均动能,让原子核的动能超过一定值后,就可以克服库仑力发生融合,这个温度要求非常高,经典物理学计算要达到上百亿温度才能实现稳定的核聚变。

太阳的核聚变1500万度就可以实现,但是人类点燃氢弹却要有上亿的温度。这是因为太阳的质量很大,太阳核心也很大,占太阳质量的99%,于是太阳内部收到外部的挤压非常大,高温状态下的电子直接被剥离出来,经历了一个电离的过程,在太阳核心乱窜。
同时,在弱力的作用下,一个质子会转变成一个中子,然后中子和质子的结合又得到了一个氘核。虽然弱力产生的几率非常少,但是一旦太阳内部中间产生了一个氘核,核聚变就开始产生了。

托卡马克装置
目前,实现可控核聚变主要有三种约束方式:磁约束、惯性磁约束、引力约束。
而托卡马克就是用来通过磁约束来实现核聚变的环形容器。它的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈,通电之后内部会产生巨大的螺旋型磁场,将等离子体加热到很高的温度,从而实现核聚变。
到目前为止,托卡马克装置仍然是人类实现可控核聚变的主流方式。
中国环流三号,我国的东方超环(EAST)、中国环流器二号A(HL-2A)、M(HL-2M)都属于“人造太阳”实验装置,本质上都是托卡马克装置。

等离子体电流强度是托卡马克核聚变装置的核心参数,等离子体电流达到100万安培(1兆安)是其实现聚变能源的必要条件,未来托卡马克聚变堆必须在兆安级电流下稳定运行。
进击的中国可控核聚变
2022年10月,中国的中国环流器二号其实就已经实现了等离子电流突破100万安倍,创造了可控核聚变装置运行的新纪录。
2023年4月,EAST成功实现了稳态高为主模式下等离子体运行404秒,创造了新的历史纪录。
2023年8月,中国环流器三号再进一步,实现了100万安倍等离子体电流下的高约束模式运行。,说明我国目前已经掌握了可控核聚变的关键技术。

可见,中国的可控核聚变技术是扎扎实实地一步步前进着。
中国在可控核聚变上的发展已然步入世界前列,但是最终还是得看谁率先实现商业化。国之重器,为科学家们点赞!
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