1亿摄氏度运行101秒我国人造太阳迎来突破可控核聚变要来了

发布者：华山欧阳锋 2023-11-19 18:41

随着人类社会的不断发展，我们对化石燃料的消耗速度越来越快。然而，这些化石燃料是地球与太阳经过漫长岁月反应形成的，据专家预测，现存的化石燃料仅够人类再使用两百年。当这些燃料耗尽时，我们是否注定走向灭亡？答案是否定的。国际新能源研究的主要方向指向了一种被称为"人工太阳"的科技创新，这将使我们在不久的将来拥有取之不尽、用之不竭的能源。

一、"人工太阳"

"人工太阳"并不是在天空制造一个新的太阳，而是一种受控的热核聚变反应堆。它之所以被称为"人工太阳"，是因为能量产生的原理与太阳相似，都是通过氢元素的核聚变实现的。

与目前的核电站使用的铀和钚不同，"人工太阳"的核聚变过程涉及到质量较小的原子，主要是氢元素及其三种同位素：氕、氘和氚。

二、核聚变能量

根据物理学原理，原子核由不带电的中子和带正电的质子组成。由于两个带正电的原子核会相互排斥，当原子核靠近到一定距离时，强核力将在两个原子核之间产生作用。当强核力压倒电磁力后，原子核会发生碰撞并结合在一起，两个较轻的核会变成一个较重的核。在这个过程中，质量的损失将转化为核聚变能量。

三、实现可控核聚变并非易事

目前的氢弹虽然属于核聚变，但其能量释放过程过于短暂，无法转化为电能。国际上对可控核聚变的研究主要有两种方式：磁约束核聚变和激光约束核聚变。

如前所述，要实现强核力压过电磁力并触发核聚变，需要超高温度或超高压力。例如，太阳的中心温度达到了1500万摄氏度，同时还有由于质量巨大而产生的向内坍缩的超高压力，约为3000亿个标准大气压。然而，这样的压力只能在恒星内部实现，在地球上无法制造出如此高的压力环境。

因此，我们通过提高温度来弥补不足。目前，我国的托卡马克装置内温度已经达到了1亿摄氏度，并且能够维持1亿摄氏度的聚变环境超过100秒。然而，令人遗憾的是，在这100秒内输入的能量仍然小于输出的能量，因此无法用于发电。

四、什么是托卡马克装置

上世纪50年代，苏联科学家首先提出了托卡马克（TOKAMAK）的概念，这个词由环形（TOROIDAL）、真空（VACUUM）、磁场（MAGNETIC）和线圈（COIL）几个词组成。托卡马克是一种利用磁约束来控制高温等离子体的装置，是可控核聚变研究的主要设备之一。它由一个环形的真空室和一系列螺旋状线圈组成，通过在等离子体周围创建强大的磁场，将等离子体约束在中心区域，防止其接触到容器壁而损失能量。

现代托卡马克实验设备，如中国的"东方之光"等，采用了先进的超导磁体技术，可以产生强大的磁场来约束等离子体。通过在等离子体中注入氢同位素，如氘和氚，然后加热等离子体到非常高的温度，可以实现核聚变反应。

当等离子体达到足够高的温度和密度时，其中的氢同位素核会发生碰撞并结合在一起，释放出巨大的能量。这种能量可以转化为热能，然后通过传热介质转化为电能，用于发电和供应能源。

然而，要实现可控核聚变并将其应用于能源生产，仍然存在许多技术和工程上的挑战。其中之一是如何维持等离子体的稳定性，防止其与容器壁接触并损失能量。还需要解决如何高效地加热等离子体、如何处理产生的高能中子辐射等问题。