07 核聚变

很喜欢吴军博士的书,从《浪潮之巅》到《数学之美》,再读了《文明之光》这四册。书中将技术史与文化史巧妙融合,精炼、易懂地描绘了人类文明发展的过程。这里摘录部分内容作为笔记,如果大家觉得也有趣,建议看更有趣、更详实的原著。

核聚变所需的材料氘和氘在海水中大量存在,一升水中的氘和氚如果完全发生核聚变反应,相当于三百升汽油燃烧的能量。

氘氚核聚变

核聚变却并不容易。在冷战期间,苏、美、英三国在可控核聚变研究上最领先,他们原以为氢弹爆炸后,很快就能实现可控核聚变,就如同当年费米在核裂变实现不久就很顺利地制造出人类第一个可控反应堆那样,于是他们彼此保密。但是事实证明,他们把问题想得太简单了。经过十多年的努力,三国的研究都陷入停滞,科学家们这才意识到,可控核聚变比预想的难很多,很快建成聚变反应堆的想法不切实际,再保密下去就不利于研究工作的进展了,于是三国科学家开始了互访交流。1958年在瑞土日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上,三国展出了各自核聚变实验装置,并达成协议,互相公开研究计划和成果。

要想实现可控制的核聚变反应并不容易,因为核聚变反应需要几百万度的高温。要盛放这么“烫”的反应物质,就得用一种无形的容器——磁场。

我们都知道物质有三态:固态、液态和气态,其实当物质的温度高到一定程度后,它还有第四种状态——等离子态。在环形装置中通以大电流,所产生的强大的极向磁场和环向磁场一起形成一个虚拟的容器,可以将等离子体约束在磁场内部,不接触容器壁。

物质的四态

基于这个原理,前苏联阿齐莫维齐等物理学家发明了一种称为托卡马克( Tokamak)的可控核聚变装置。 

在托卡马克强磁场的约束下,高温的氘氘等离子体发生核聚变反应,释放出巨大的能量。维持强磁场的大电流(上百万安培)需要消耗巨大的能量,如果消耗的比反应堆产生的能量还多,显然不可行。因此,各国核聚变研究的重点就放在如何提高输出能量和输入能量之比(也称为能量增益),也就是科学家们常说的Q值。经过各国科学家的努力,从上个世纪80年代开始,这个值从大约0.2开始不断提升。

在核聚变反应中,可利用的能量大约只有1/5,因此如果释放的热能可以百分之百地用于发电和产生磁场,那么Q必须大于5,消耗的能量和获得的能量オ平衡。

再考虑到热能转换成电能,电能再转换成磁场有损失,国际上公认的能量收支平衡点Q必须做到10以上。

而要使得核聚变发电具有市场竞争力,则Q值需要达到30,因此目前试验阶段的核聚变和实用相去甚远,乐观的估计还需要30到40年的时间。

中国从1990年起,建设了大型超导托卡马克装置,成为世界上俄、法、日之后第四个拥有同类大型装置的国家(美国并未采用磁场技术,而是采用激光,称为惯性约束核聚变)。

中国的核聚变设施

从1998年到2006年,中国建成了世界上最先进的托卡马克装置EAST,电磁场全部靠超导产生。在2006年初EAST进行了第一次成功的实验,到2013年该装置能够持续工作1000秒,创造了工作时间最长的世界纪录。这标志着中国在全超导核聚变实验裝置领域走在了世界前列。中国有可能在可控核聚变上最早达到实用化,如果这个目标能够实现,这将是中国自农业文明以来对世界最大的贡献。

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