|
核聚变是大自然一个极为普通的现象，满天的繁星和我们的太阳就挂在那里展示他们聚变产生的效果，根据NASA公布的数据，虽然太阳中心最高温度只有约1571万摄氏度（好凉快呀），但因为太阳中心的压力达到了2.477E11个标准大气压（2477亿倍标准大气压），因此原子核（裸核，不再束缚电子）碰撞几率极高，在太阳核心处，每秒都有6.5亿吨元素参与聚变，亏损的质量超过400万吨！这是一种近乎无限的能源，我们的太阳靠这种聚变的机制大约还能稳定燃烧50亿年。 核聚变是两个较小的原子核聚合为一个较大的原子核，因原子核中多余的胶子和介子被抛弃，其损失的质量便以能量的方式释放出去，而这种释放遵循质能方程e＝MC2。 氘与氚的聚变其释放的能量是裂变的4倍，是煤和天然气的400万倍 太阳内部的聚变过程让你不得不感叹大自然的大道至简、衍化至繁，简单的氢原子通过一系列反应又回到了氢，循环往复的过程中产生了正电子、中微子、氦3、氦4、宇宙射线以及万物。宝贵的氦3会随着太阳风扩散到太阳系内，而月球因无大气遮挡在表面沉积了大量的氦3，这可能是未来人类核聚变的宝贵矿产。 我们人类自从了解到这个机制以后，科学家们就一直想要在地球上去制造这种太阳－－实现可控核聚变，然而在地球上，运用宇宙基本规律产生能量对我们人类而言看似简单却又难以启及。因为技术上、成本上、政治上和人类能源利用的多选择性等原因，“实现可控核聚变永远在50年之后”的说法广为流传。即便如此，驾驭宇宙基本力量的诱惑、更高等文明的象征以及核聚变如此美妙的应用前景，使得即使前路漫漫、迷雾重重，人类却还在孜孜不倦的追求着。 要实现聚变，就必须要克服原子核之间的库仑斥力，解决的办法就是让原子核以极高的速度撞击或者增大撞击概率，在宏观上就表现为提高反应所需的温度或密度。 总体来说，人类目前核聚变的步伐还停留在实验阶段，主要的目的是为了先完成聚变的自持，其实现稳定的核聚变，输出能量大于等于输入能量，所以在聚变材料上也选取了较容易实现聚变且“比结合能差”（聚变能量产生较多的）较大的氘与氚。同时，这2种材料都好搞到，前者海水里很多，后者可以通过中子与锂制备（就是价格有点小贵，好在可以在聚变中增殖），完成稳态的聚变自持后还有关于中子问题、材料大规模制备及增殖利用、如何发电、商用化等大课题在前方等着，所以目前在建在用的装置都属于实验装置。 目前主流（别瞧不起非主流，我们下次再介绍下）实验装置为磁约束型，这是一种有较长实验历史，最有希望实现大规模商用聚变发电的技术途径。 磁约束核聚变(托卡马克)。环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)的缩写，这类装置最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明，其原理是用超导线圈产生强大的方向磁场约束高温的等离子流，通过不断的加热，使温度达到聚变条件。 目前全世界托卡马克装置大大小小有十几个，这里主要介绍一下有代表性的和知名度比较高的： 1.合肥的EAST（实验Experimental、先进'Advanced'、超导'Superconducting'、托卡马克'Tokamak'），又称东方超环； 托卡马克装置的运行质量有三个重要的指标：等离子体密度、温度、持续时间。2018年底，EAST首次实现了5x10^19 cm3等离子体，中心温度1亿度（这是一个重要的指标，它是无压力条件下氘与氚的聚变起始温度），约束时间达101.2秒，标志着EAST朝实现稳态核聚变迈出了重要一步。 2.国际合作项目ITER（国际International 、热核Thermonuclear、 实验Experimental 、堆Reactor），由中、英、印、日、韩、俄、美七国联合建设，ITER计划七方2006年正式签署联合实施协定，启动实施ITER计划，选址法国南部卡达拉舍（Cadarache），ITER计划将历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。但由于和尚多了没水吃，且耗资不断加码（200亿美元），所以目前还没建好。 ITER要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的'磁笼'中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。50万千瓦热功率已经相当于一个小型热电站的水平。这将是人类第一次在地球上获得持续的、有大量核聚变反应的高温等离子体，产生接近电站规模的受控聚变能。 3.CFETR（中国China、聚变Fusion 、工程Engineering 、实验Test、 堆Reactor），根据目前公开的资料，CFETR在借鉴ITER现有的物理和技术基础上，将主要研究稳态燃烧等离子体特性和控制燃料氚的自持、聚变发电、聚变堆材料等重大科技问题。
CFETR体积约为ITER的85%，其中它的装置的大环直径将达到11.4米，小环直径3.2米，在装置尺寸缩减的同时，还要保持环内等离子体电流达到10兆安，纵向磁场5特斯拉，氚再生比例大于1.2。 CFETR装置一期在物理上将实现较为可靠稳妥的科学目标，聚变能输出功率达到200兆瓦。二期工程，将充分利用国内外最先进的经验和科学实验结果，通过堆内部件的升级，在同一个实验堆上实现大于1000兆瓦聚变能的输出，反应产出比这一关键指标的“Q值”将实现大于25，也就是说每消耗1份能量，将会得到25份能量，而ITER才仅仅为10。 可以看出，中国聚变工程实验堆（CFETR）是为真正利用核聚变燃料进行发电而设计的工程实验堆。 上述三种代表工程都是标准的托卡马克，为了解决等离子体漂移问题，除了外面的大磁铁形成了环形磁场，还需要施加由等离子体电流磁场形成的环形螺旋场、极向磁场等多种辅助磁场对等离子电流进行约束，因而其运行模式为脉冲式，因控制因素多，所以密度、温度、持续时间这三个参数要往上走难度都很大。 4.德国文德尔施泰因7-X仿星器（stellarator，扭成麻花的托卡马克） 仿星器，顾名思义是仿照恒星内部持续不断的聚变反应所设计的聚变装置（自我感觉良好，能和太阳比吗），也是磁约束核聚变家族的一个主要成员。最初由美国物理学家Lyman J Spitzer在1950年提出。
前面已经介绍了，标准托卡马克并不能完全束缚等离子体，由于环形截面上磁场的分布不均匀，带电粒子会在磁力线之间漂移，能量较高的粒子会漂移到外部，所以等离子束流会向外膨胀然后打到管道内壁上。为在托卡马克中获得高温的等离子体，必须抑制这种漂移。 仿星器是托卡马克的一种变体，这其实就是将标准托卡马克控制等离子流的难度转换成制造和组装工艺的难度，仿星器的工艺复杂，加工和安装的精确度要求高，文德尔施泰因7-X造价达10.6亿欧元，光是建立这些造型奇特的磁铁就花了 6 年时间，所以目前也就德国人这个最有希望，此外还有美国的HSX和日本的LHD就不一一介绍了。 因为其具有扭转的磁场，这一个磁场就解决问题，其非对称设计和特殊的磁铁形状可以抵消等离子体的漂移，因此仿星器约束等离子体的稳定性上具有先天的优势，他们的目标是实现1.5亿度30分钟的约束时间，但他们目前主要的目标就是为了研究约束等离体流问题，主攻方向并不是为了发电，以此为模式的发电项目需要等到ITER项目完全运转以后才启动了。 至惯性约束型的聚变实验装置，其实验的重点真的不是为了发电，如美国的国家点火装置，中国的“神光二号“等，这里就不再介绍了。
美国国家点火装置。 ONE MORE THING 讲了这么多，前面提到的主都是不差钱的，搞研究嘛，钱不是问题，别跟我提成本，那前面提到的非主流派呢，他们多为私营企业或由私营企业重点赞助的团队，成本控制才是第一位，因此做法比较激进、脑洞开的大，就是为了要尽快实现商用发电，很令人激动哦，嗯，限于篇幅，我们下期再聊。。。你不点一下关注吗？ |
|
|
