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中國“人造太陽”離“點火”還差多遠?
www.163.com 2023-09-23 19:20
出品|網(wǎng)易新聞
導(dǎo)語:被稱為“新一代人造太陽”的“中國環(huán)流三號”(HL-2M)托卡馬克裝置,于8月25日首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。再次刷新我國磁約束聚變裝置運行紀錄,100萬安培電流是個什么概念?有怎樣的關(guān)鍵意義?
新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”
一、核裂變和核聚變有什么區(qū)別?
比如一個電燒水壺是2200W,它的電流為2200/220=10A,那么,1000萬安培相當于100萬只同時燒水時的電流大小。達到100萬安培這個數(shù)值,標志著我國“人造太陽”向著核聚變點火又邁出了重要一步。
核聚變,是一種核反應(yīng)的形式,即輕原子核(例如氘和氚)結(jié)合成較重原子核(例如氦)時放出巨大能量的過程。在不加約束的情況下,核聚變往往是劇烈而不可控的。長期以來,實現(xiàn)可控核聚變,為人類的發(fā)展提供源源不斷的能源是人們的愿景。
相較于核裂變,普通人對核聚變的了解程度可能更低,甚至還經(jīng)常理不清這兩者的關(guān)系。
如果說通過分裂重原子核來產(chǎn)生能源的核裂變,是將原本完整的鏡子打碎,那么核聚變可以說恰恰相反,其產(chǎn)生能源的方式是將打碎的鏡子復(fù)原,通過“破鏡重圓”來釋放能量。
核裂變與核聚變的區(qū)別示意圖
我們都知道,愛因斯坦有個著名的質(zhì)能方程E=mc2。當一個重原子分裂為兩個輕原子時(核裂變),或兩個輕原子融合為一個重原子時(核聚變),反應(yīng)的過程會產(chǎn)生一點點的質(zhì)量虧損,而這損失的一點點物質(zhì)會變成巨大的能量釋放出來,這能量究竟有多大呢?——光速的平方倍。
太陽內(nèi)部便每時每刻都在發(fā)生著類似的核聚變反應(yīng),從而源源不斷地發(fā)出光和熱。
二、擋在核聚變點火前面的“三座大山”
核聚變點火作為實現(xiàn)可控核聚變的關(guān)鍵步驟,是實現(xiàn)可控核聚變的前提和基礎(chǔ)。如今,實現(xiàn)核聚變點火這一目標,正在逐漸走向現(xiàn)實。
英國物理學(xué)家勞森在上世紀50年代提出了著名的“勞森判據(jù)”,即當核聚變反應(yīng)的能量產(chǎn)出率大于能量損耗率,并且有足夠能量使核聚變反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)時,通常意味著核聚變點火成功。
溫度、密度、約束時間這三個參數(shù)的乘積,即所謂聚變?nèi)朔e大小的判斷,燃料的離子溫度、等離子體密度和能量約束時間是核聚變裝置點火的關(guān)鍵性參數(shù),三個參數(shù)成為點火的關(guān)鍵。翻越三座大山,提高三乘積才能讓可控核聚變走向現(xiàn)實。
而在磁約束核聚變裝置中,上述三個參數(shù)中的等離子體密度和能量約束時間恰恰與等離子體電流成正比。“等離子體電流越高,等離子體密度和能量約束時間這兩個參數(shù)就越高,就可以更加接近點火要求的聚變?nèi)朔e。”
極輕的核(或粒子)在反應(yīng)過程中質(zhì)量并不守恒,有一部分參與聚變的原子核物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為了能量。其轉(zhuǎn)化比例遠超重核變化為輕核的核裂變反應(yīng),根據(jù)質(zhì)能方程,這一能量十分巨大。
兩個輕核形成一個重核與一個粒子
兩個輕核在正常狀態(tài)下一旦靠近會因為電荷而互相排斥。不過,一旦溫度夠高形成原子核與電子分開的等離子體,且體系的約束力夠強,就能使核力(作用于原子質(zhì)子和中子之間的力,但僅作用于極小范圍內(nèi))發(fā)揮作用,打破電荷斥力的影響產(chǎn)生重核,并釋放大量能量。
若核子密度夠高、運動夠快、反應(yīng)持續(xù)時間夠長,則輕核互相接近的幾率越大,達到某一臨界點后即可產(chǎn)生可持續(xù)的核聚變反應(yīng)。因此產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的重要條件是創(chuàng)造環(huán)境,對反應(yīng)的等離子體產(chǎn)生足夠的溫度、密度和維持時間。
太陽內(nèi)部的溫度僅有約1500萬攝氏度,但其超高的壓強和約束時間使得聚變反應(yīng)容易產(chǎn)生。根據(jù)英國物理學(xué)家勞森在1957年的推導(dǎo),在托卡馬克裝置內(nèi),要想使得核聚變反應(yīng)“有利可圖”(即輸出能量超過輸入能量),氘氚反應(yīng)必須在約1.5億攝氏度的等離子體溫度前提下,讓等離子體的密度與約束時間的乘積至少達到10的22次方級別。
三、托卡馬克穩(wěn)定運行,等離子體電流必須超過1兆安
托卡馬克裝置最初由蘇聯(lián)于1950年代提出并制造,名字是俄語中環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)的結(jié)合。
托卡馬克裝置示意圖
托卡馬克裝置的結(jié)構(gòu)都大同小異。主要容器是一個環(huán)形的真空室,外面纏繞多組線圈。真空室內(nèi)充入一定量反應(yīng)氣體,在預(yù)電離等手段的作用下產(chǎn)生少量離子,然后通過感應(yīng)或者微波注入等方式,激發(fā)并維持一個強大的環(huán)形等離子體電流。這個等離子體電流與外面的線圈電流一起形成一個螺旋形磁場,反應(yīng)過程中外層的等離子體被卷在螺旋形磁力線上不溢出,就能夠?qū)⒏邷氐入x子體封閉,使其與外界盡可能地絕熱。在確保等離子體被約束的前提下,等離子體不斷通過中性束、電子/離子共振等手段加熱到上億度的高溫,以達到核聚變反應(yīng)的條件。
采用磁約束的根本原因是地球上沒有任何材料可以直接承受反應(yīng)中心上億度的高溫,反應(yīng)過程中高溫等離子體會飛散開來,太陽內(nèi)部利用巨大的重力進行約束。為了避免超過1億攝氏度的等離子體飛濺損壞材料,必須使用超高電流產(chǎn)生的“磁籠”將等離子體束縛住:電流越大,產(chǎn)生的磁場越強,能夠更好地束縛和壓縮等離子體,有利于形成更大的等離子體密度。此外,電流裝置可能采用超導(dǎo)方案,以避免超高電流的附帶問題。
四、中國“人造太陽”離“點火”還差多遠?
數(shù)十年中,國內(nèi)外的托卡馬克裝置一直在努力突破提高三乘積這三座大山,在等離子體溫度約為1.6億攝氏度的前提下,相對最容易實現(xiàn)工程化。最先進的聚變試驗堆已經(jīng)達到了這個溫度,但在等離子體密度和維持時間上距離“點火條件”還存在著一定的差距。
等離子體在環(huán)形磁場內(nèi)運行
作為我國最新一代托卡馬克裝置“環(huán)流3號”由之前的HL-2M更名而來,屬于中型核聚變研究裝置,是HL-2A經(jīng)過改造升級后的產(chǎn)物,于2020年建成并投入試驗。改造后的HL-2M擁有了更先進的結(jié)構(gòu)與控制方式,具備更強的加熱功率,等離子體溫度最高能超過2億攝氏度。它的真空室主半徑為1.78米,設(shè)計最高能承載250萬安培的電流,能夠由非超導(dǎo)銅線圈產(chǎn)生最大2.2特斯拉的磁場,會對等離子體形成更強、更穩(wěn)定的內(nèi)部約束磁場。
根據(jù)專家的介紹,聚變堆的聚變功率與等離子體電流的平方成正比,意味著反應(yīng)功率仍將有幾倍的提升空間。這將顯著影響上述三個參數(shù)中的密度和約束時間,進一步增加核聚變反應(yīng)的速率,嘗試接近勞森判據(jù)的臨界點。
高性能計算機和相關(guān)算法的引入對于提升約束時間起到了最關(guān)鍵的作用,我國擁有比較豐富的等離子體的數(shù)值模擬經(jīng)驗,使得磁約束時間在國際上處于較為領(lǐng)先的地位。
我國的另一個“人造太陽”項目被稱為東方超環(huán)的EAST,是全球首個非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克,的中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導(dǎo)磁體,外側(cè)則由超導(dǎo)材料制成的線圈圍成。
以我國目前最尖端的“環(huán)流3號”和EAST實驗堆為例,在大約1.5億攝氏度的條件下,能夠以大約10的19次方級別密度持續(xù)約100秒可重復(fù)的等離子體運行。在“環(huán)流3號”有潛力進一步大幅提升約束電流的前提下,若能同時再將磁約束時間提升到1000秒以上,就將十分接近勞森判據(jù)。
結(jié)語:國際上可控核聚變被稱為“普羅米修斯盜火”,是國家綜合技術(shù)實力的一種體現(xiàn)。能夠帶領(lǐng)人類再一次走向光明??煽睾司圩兒腿斯ぶ悄艽砦磥淼南冗M生產(chǎn)力,它們的發(fā)展將成為下一代工業(yè)革命的鑰匙,人類將擁有無限能源并擺脫重復(fù)勞動。
參考文獻:
1.中核集團. 我國掌握可控核聚變高約束先進控制技術(shù). 2023-8-28
2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所. 什么是托卡馬克?
3.中國科協(xié). 新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”再創(chuàng)紀錄. 2023-9-17
4.科技日報. 提高三乘積,讓可控核聚變走向現(xiàn)實
5.澎湃新聞. 為何核聚變總在“五十年后”?美國聚變點火有何弦外之音?
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