只做武器,你们也未免太小看核聚变了

本文来自果壳网的微信公众号“果壳”,未经许可不得进行商业转载

本文为“科幻科普作家进新国企”活动的一部分,写作取材过程部分接受了中国核工业集团的实地取材接待

这个装置,叫HL-2A,全名叫做中国环流器2号A,是做可控核聚变的。

中国环流器2号A

中国环流器2号A

“我们不是做原子弹的”

HL-2A坐落在四川成都的核工业西南物理研究院,简称为核西物院。隶属于中国核工业集团。某种程度上,这是中国最神秘的单位之一,他们要做的,就是核聚变。

一提到“核”,人们脑海里大多还停留在广岛原子弹的巨大蘑菇云。所以,想到那些坐落在中国大地内陆,名字里有“核”的单位,人们总要问一句:“是不是在造原子弹啊?”

但事实上,原子弹是核能利用最原始的阶段,它背后的技术是核裂变。相较于核裂变,核聚变要更为“高级”。核聚变,或者叫核融合,是指两个原子核结合成一个较重的核和一个极轻的核的反应。在这个过程中,会有一部分物质质量“消失”掉了。根据爱因斯坦那妇孺皆知的方程,E=mc2,这部分“消失”质量会转变为巨大的能量。核聚变是自然界最伟大的能量来源之一。天空中高悬的太阳,就是靠着核聚变产生着滋养人类的光芒。

太阳通过核聚变反应发光发热,图片来源:helloorf.com

太阳通过核聚变反应发光发热,图片来源:helloorf.com

核聚变,就是星辰的力量。

很遗憾,关于核聚变,我们听到最多的,仍然是武器。氢弹,威力是原子弹的数百倍,基本原理就是核聚变。

只用作武器的话,我们未免太小看核聚变了。自从1951年,美国氢弹爆炸实验成功后,人们一直绞尽脑汁想把这毁天灭地的力量加以利用,也就是可控核聚变。

永远都是“五十年后可以商用”

目前,人类最给予厚望,是氘和氚的聚变反应。这两种氢的同位素,经过聚变后可以形成一个氦核和一个中子,并放出巨大的能量。

氘和氚的聚变反应,图片来源:Wikimedia Commons

氘和氚的聚变反应,图片来源:Wikimedia Commons

可控核聚变被认为是人类的终极能源。原因主要有三方面:首先,核聚变的原料特别丰富,仅仅从一升海水里提炼的氘元素,通过聚变反应释放的能量,相当于300升汽油。再有,氘氚聚变几乎不产生污染物,更不会有温室气体排放;在安全性上,聚变设备只要一断电,反应就会立刻停止。

然而,可控核聚变很难,真的很难!

有多难?

业内流传一个久远的笑话:当人们问核物理科学家,“还要多久才能用上核聚变的电能?”得到的答案永远是,“五十年之后”。

可控核聚变的难点主要有两个。一是如何实现开启核聚变反应?要引发两个原子核的聚变,需要提供巨大的能量。在氢弹中,为了达到聚变的能量要求,科学家们在氢弹中植入了一个原子弹。实际使用时,先引爆原子弹,产生瞬间的超高温,借以开启氢弹的核聚变过程。但是,总不可能在发电站里不断引爆原子弹吧?为了达到聚变需要的高温条件,人们提出了很多种解决方法,其中最为广泛采用的叫做中性粒子注入。这种技术就是使用含有很高能量的粒子去撞击核聚变原料(氘和氚),从而将它们加热到超高温度。

多高呢?一亿度!

在如此高温下,物质已全部电离,形成高温等离子体。顺便提一句,等离子体是区别于固、液、气的第四种物质形态,广泛存在于宇宙之中。雷雨天的闪电,就是一种等离体子。

有了这团一亿度的高温等离子体,随之而来的下一个问题是:用什么装啊?地球上已知最耐高温的材料是钨,就是老式灯泡里的灯丝,它熔点只有3400℃左右。如果没有材料能忍受核聚变的高温,那我们就只能不让氘和氚接触物质了。

为此,前苏联的物理学家创造性的提出了一种名为“托卡马克”的装置。这种装置是如同一个缠满线圈的巨大轮胎,通电后可以在其内部产生极强的磁场,利用这磁场将超高温度的等离子体悬在真空之中。这种灵光乍现的“托卡马克”装置,后来成了最主流的核聚变装置。

联合欧洲环形托卡马克内部,图片来源:EUROfusion

联合欧洲环形托卡马克内部,图片来源:EUROfusion

开头的那台HL-2A,就是用了托卡马克。

“这是全人类的事”

无论是核聚变的反应原理,还是用托卡马克控制等离子体,在物理学中,他们的原理都很简单,简单到高中课本就能翻到相关的概念。但真正要做出能用的设备,那却是比“登天”还难。这里的“登天”,是字面意义的。因为人类在半世纪前就实现了载人登月,但现如今,我们离商用化的核聚变发电,可能还有永远的“五十年”。

随着化石燃料储量减少,温室效应日益明显,人类可能等不了太久,核聚变,需要全人类的努力。

1985年,欧美等国开始发起一项名为“国际热核聚变实验反应堆”项目,这个简称为ITER的项目,计划建造人类有史以来最大的托卡马克核聚变反应堆,而且目的也很直接:真正地用核聚变发电。2006年,该项目正式开启,由欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方开展合作,其中,中国贡献9%的设备与经费。

2025年,ITER项目将进行首次测试,为了全人类。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注