苏联人拿出个装置,1升海水能量相当于燃烧300升汽油!

栏目:体育 来源:孝感汽车网 时间:2019-07-09
日前,我国“人造太阳”EAST(又称为“东方超环”)首次实现等离子体中心电子温度达1亿度。EAST是中科院等离子体所自主设计研制的磁约束核聚变(可控核聚变的方式之一)实验装置,此次实验成果标志着中国未来聚变反应堆实验的运行迈出了关键一步。消息一出,很多人为之振奋。
苏联人拿出个装置,1升海水能量相当于燃烧300升汽油!



可控核聚变被认为是人类最理想的能源之一,有人把它视为“人类终极的能源供应”,甚至认为,如果人类熟练掌握了可控核聚变技术,那么,实现星际航行指日可待!
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可控核聚变为何有如此能量?人类离掌握这项改变世界的技术还有多远?


文 | 何方 瞭望智库特约能源观察员

李浩然 瞭望智库

本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严格追究法律责任。

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1升海水产生的能量相当于燃烧300升汽油!




日本有一部电影叫《生存家族》,讲述了这样一个故事:

某天清晨,东京居民醒来后发现,一切电器突然停止运转,汽车、飞机、自来水、电池、手机都无法使用。

城市居民的衣食住行每一样都离不开电,突如其来的停电无异于一场巨大的灾难。

于是,长时间没电的城市开始垃圾遍地,交通全面瘫痪,食物也都被买光了......

为了生存,人们不得不背井离乡,逃往农村。

一路上,他们不得不重新学习如何生存,一场停电引发的“末日生存战”打响。


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该片告诉我们一个可怕的事实:不需要外星人入侵,不需要生化危机,不需要“猩球崛起”,断个电,我们就可以活在公元前。

如果储量有限的煤、石油、天然气等能源耗尽,就没了电,那么,我们该如何生存?

实际上,科学家早就在思考这个问题了。

早在约100年前,世界著名物理学家爱因斯坦就预见到原子核中蕴藏着巨大的能量。

1939年,美国物理学家贝特证实,一个氘原子核和一个氚原子核碰撞,结合成一个氦原子核,并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。

这个发现,揭示了太阳“燃烧”的奥秘。

后来,氢弹的研制成功,让核聚变从理论变为实践。不过,氢弹利用的是不可控的聚变反应,做武器还行,总不能用氢弹发电吧?

我们真正需要的是和平地、可控地利用核聚变,俗称“人造太阳”,其原理类似太阳发光发热——在上亿摄氏度的超高温条件下,利用氘、氚的聚变反应释放出核能,为人类生产源源不断的新能源。


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这很让人振奋!

一方面,与其他能源相比,核聚变的原料取自海水,可以说是无穷无尽。

据测算,每升海水中含有核聚变的主要原料氘0.03克,所以,地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。

1升海水中所含的氘,经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。

如果把自然界中的氘用于聚变反应,释放的能量足够人类使用大约100亿年!

至于核聚变的另一种原料氚,虽然自然界中不存在,但靠中子同锂作用可以产生,而海水中也含有大量锂。

另一方面,可控核聚变产生的能源不会产生二氧化碳等温室气体,而且,不同于造成切尔诺贝利及福岛等核辐射事件的核裂变,核聚变几乎没有放射性危害。

也就是说,如果在实现可控,核聚变简直就是人类梦寐以求的能源圣杯!

科幻小说《三体》中描绘过这番图景:

深埋在地下的现代城市,无线供电设施遍布全城,依靠核聚变的巨大能量,农业彻底工厂化,一个星期就能收获一季粮食作物......

2

让钢铁侠飞起来的“托卡马克”




可是,要在地球上模拟太阳、使聚变稳定持续进行并不容易,必须能扛住并长时间维持上亿度的高温。

尽管人类已根据核聚变原理研究出了威力巨大的氢弹,但是,实现可控核聚变还有很长的路要走。

1957年,英国科学家提出了“劳森判据”,为可控核聚变的研究提供了量化的理论基础。

根据劳森判据,可控核聚变受等离子体的密度、温度和维持时间这三个因素影响,只要这三个因素的乘积达到一个常数,可控核聚变就能发生。

比如太阳,因为其构成物质基本上处于等离子状态,且密度极大,所以太阳中心的温度仅仅只有1600万摄氏度,就能维持长期的核聚变反应。

相反,人类虽然可用电磁、激光等技术制造出超过一亿摄氏度的高温环境,但人类制造的等离子体的密度低得如同空气,维持时间也只能达到短短数分钟(目前最高纪录不超过十分钟),所以也很难输出长期稳定的核聚变能。

难度虽然大,但是起码有了方向:只要想办法提高等离子体的密度和温度,提高等离子体的维持时间,就能实现可控核聚变。

听起来似乎也不算难,当时,科学家们顿时乐观起来,他们甚至估计,不出五十年,也就是在人类进入二十一世纪的时候,就能用上聚变能!

当时,各国都在搞秘密研究,都想成为世界上最早研究出可控核聚变的国家。毕竟,可控核聚变技术带给国家的战略利益,比核弹可大多了。

研究可控核聚变有两条独立的路径,一是磁约束,二是惯性约束。

其中,磁约束是科学家们最看重的技术路线,将等离子体束缚在巨大的磁场中加热,实现可控核聚变,并没有理论障碍,纯粹是一个技术问题。

于是,各国科学家一开始就将全部精力投入到等离子体磁场的设计中,只要能够设计出可靠的磁场,就相当于找到了一个实现可控核聚变的容器。


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磁场约束高温等离子体


在这方面,苏联人走在了前列。1968年,苏联科学家提出“托卡马克装置”的构想。

事实上,钢铁侠装在胸口亮着白光的那个类似“小炉子”的装置,就是一个小型的“托卡马克”,为钢铁侠提供巨大能量。

它是用磁场围起来的,使聚变材料能在里面悬浮起来,不会被烧化,通过不断给悬浮的材料加热到上亿度,不断产生能量。

这就是科学家要的磁约束力。


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苏联人拿出这个装置时,西方国家都认为是骗人的玩意。

直到英国科学家将信将疑地照着苏联人的方法,验证了这个装置的有效性,科学家们才真的“嗨”起来。

一旦核聚变被苏联率先攻克,苏联就掌握了人类通往未来的钥匙。


之前迟疑不决的西方国家和日本一哄而上,纷纷开始建造自己的托卡马克装置。


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那时候,科学家们对托卡马克装置的心情,就像掉入大海陷入绝望的人,看到了海面漂来的一条竹筏!



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托卡马克装置

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为研究核聚变打造“强国俱乐部”




从此以后,托卡马克装置风靡可控核聚变研究界,磁镜、惯性约束之类都成了非主流。

近三十年来,全世界托卡马克装置加起来有上百座之多,我国的可控核聚变研究的主要成果,也是托卡马克装置研究上取得的。

相比其他国家,我国建造的托卡马克装置的时间较晚。

70年代,苏联建造了一个名为T-7的半超导托卡马克。

托卡马克装置诞生后,各国纷纷投入巨资支持本国的可控核聚变研究,还是希望能成为最快掌握可控核聚变技术的国家。

这时候,大家也不再“闭门造车”了,各种国际合作和论坛纷纷设立,各国研究人员相互分享经验,一方面让各国同行少走弯路,另一方面凸显本国科研实力。

1985年,苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议提出建立“国际热核聚变实验堆(ITER)”计划,该计划的目的,是建造、运行一个可持续燃烧的托卡马克型聚变实验堆,以验证聚变反应堆的工程技术可行性,为实现聚变能商业应用奠定基础。

此后,美、苏、日和欧共体(欧盟前身)开始筹划“ITER计划”,被称为“强国俱乐部”——只有强国才能玩的起。

这个计划是排他的,以便这些老牌发达国家能够率先掌握人类未来能源形势,继续保持技术优势。

四国外的其他国家不能成为其成员。当然,要想加入也行,只能以这四个成员国的“小伙伴”身份加入。加拿大是以欧共体小伙伴的身份加入的,中国当时经济相对落后,就更没有机会加入了。

然而,“强国”也有各自的难处,这个计划实施起来并不顺利。

90年代初,ITER计划的实施方案出来后非常贵,需要上百亿美元。

美国人一看,很难过国会那一关,而且在这上面“烧”这么多钱,国内的核聚变研究必然会受到影响,于是直接就退出了(尽管后来又回来了)。

苏联解体后,俄罗斯本身经济就出现了一些问题,又是石油输出大国,对ITER计划也不是特别上心;

日本当时经济正好处于崩溃期,出这么多钱也很心疼;

于是,下只剩下欧盟自己在吆喝了,这个计划也就一直没有实质性进展。

4

核心技术一定要百分之百国产化!




90年代初,俄罗斯建成了一个更先进的装置,希望把T-7送到别的国家。

这个装置被大卸八块运到中国,经重新设计、研制后,于1994年成功建成HT-7超导托卡马克装置,使中国成为继俄罗斯、日本和法国之后第四个拥有此类装置的国家。

中国科学家就此做了很多试验,让等离子体中心电子温度达到了1200万度,并维持了长达400秒,比法国人做得还好。


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以HT-7为平台,培养了一批工程技术、科研和管理人才,为后续建造东方超环及核聚变事业持续发展奠定了人才基础。

但是,这个装置的很多关键部件都是从俄罗斯进口的,坏了以后还得请俄罗斯专家来修理。

中国工程院院士李建刚曾回忆,有次他们请来了一个俄罗斯专家。来到中国后,俄罗斯专家吃完饭就去睡觉了,而上百个中国科学家还在等着他来修好装置。

那时候,中国科学家就想,核心技术一定要百分之百国产化!

之后我们在这方面下了大力气,做了很多关键技术,比如这次实现一亿度高温的“东方超环”装置,就是中国科学家花费十五年心血做成的,装置周边几乎每一个部件都是中国人自己制造的。

进入21世纪,各国能源需要日益扩大,各大国又认真思考起了世界能源危机这个话题。

于是,“ITER计划”再次被人提起。

这时候,规则也改变了——ITER欢迎任何国家加入。

此时的中国,国力空前提高,而且对先进技术的渴望已经越来越强烈。因此,当2003年这个项目重启的时候,我国携可控核聚变研究的多年成果和经济实力加入这个项目。


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建设中的ITER项目


中国投入了100余亿元人民币,据中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆回忆,“当时科技部一年的项目投入也才200多亿元人民币。”

有人问,“花这么多钱,值吗?”

考虑下这项研究的价值,当然值!我们在核裂变技术上落后于其他国家多年,不想在核聚变技术上再次落后,它把我们的科研人员送到更高的平台,与世界级科研人员共同切磋、共同进步。

5

中国从ITER计划中得到了什么?




在中国决定加入前的大约一个星期,美国前总统小布什说要赶在中国之前重回ITER计划。

韩国于2003年6月参加ITER计划;2005年底,印度加入。


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谈判的时候面临一个问题:实验堆场址选在哪?

日本代表团提出,如果中国科学家支持选址日本,可以给中国10%的高层职位,又开出一些优厚条件。

中国科学家拒绝了日本的请求,并列出了一些指标,有几项日本场址不占优,比如地震频繁,还有日本场址旁边有美军基地,经常有美军基地导弹误发在周边。

日本科学家哑口无言,最后场址选在了法国。

ITER计划的实施分四个阶段:

建造期10年,总费用约为50亿欧元;

运行期20年,总费用约50亿欧元;

去活化阶段5年,总费用约8亿欧元;

最后阶段,装置交由东道方(欧盟)退役。

参与各国完全平等地享有项目的所有科研成果和知识产权。


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ITER10年建造期间各方成本分摊


中国从中得到了什么呢?

一是提高了磁约束聚变方面的研究水平。

以前是苏联、美国把不要的聚变装置卖给我们,现在我们自己设计、建造的实验装置反而处于国际领先水平,有中科院东方超环(east),西物院的环流器二号A装置等。

这些聚变装置,使我国有了足够的底气可以与国际一流的聚变实验室平等交流、对话。

二是中国相关企业的水平也提高了。

承担ITER任务的中国一级供应商总共有20多家,在ITER建设阶段,这些企业不仅填补了许多国内产品空白,其研发水平、产品还进入了国际领先行列。

比如,我们过去做不出超导导体,后来集中精力去研究如何把几千根甚至上万根丝做成头发根粗细的导线。线做好了,却发现外边的钢管不行。

经过反复研究,我们不仅做成了导线、钢管,而且能批量生产。

目前,我们生产的导体样品测试指标都达到了ITER装置的要求,而且部分指标远高于要求。

6

中国让人类离最终掌握可控核聚变越来越近




目前,超导线圈的托卡马克装置是可控核聚变研究的最前沿科目。国外的超导线圈托卡马克装置共三台,分别是法国的Tore-Supra、俄罗斯的T-15、日本的JT-60U。

但是,这三台装置都只有水平线圈是超导的,垂直线圈依然是常规线圈。

其中固然有成本的问题,但主要原因还在技术。

世界上第一台全超导托卡马克装置就是前面提到的“东方超环(EAST)”,俗称“人造太阳”,它是世界上最早的水平和垂直线圈均为超导线圈的托卡马克装置。



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不仅如此,东方超环还第一次采用了非圆形垂直截面,在不增加环形直径的前提下增加了反应体的体积;

第一次采用了液氦无损耗的超导体系,实现了液氦这种昂贵冷却剂的高效利用;

它还是世界上第一个拥有主动冷却结构的托卡马克装置。

2007年,东方超环建成启动后,一举成为“ITER计划”最重要和最先进的试验装置。

此后,各国科学家纷纷来我国参与相关科学试验。

EAST大科学工程管理委员会副主任罗广南教授说,近年来在我们进行的每一次实验中,参与的外国研究人员数量都经常超过100人。

有了这样一个装置,中国科学家从几秒钟做到几十秒、几百秒。

这样的成绩来源于中国科学家长期的坚守。有科学家做这样的试验已经达到了不下20万次!可想而知,在这个过程中,他们遭遇了多少次失败。

除了EAST装置,中国还于去年5月在合肥启动了聚变工程实验堆(CFETR)工程设计,计划在2050年实现核聚变商业化,完成人类终极能源愿望。


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中国聚变工程实验堆(CFETR)概念图


然而,中国在可控核聚变方面的快速发展也引发其他国家的担心。

据《参考消息》报道,很多国家认为,如果中国成为第一个实现聚变技术商业化的国家,那它将在经济和地缘政治上取得优势。

ITER项目的其他6个参与方——日本、韩国、俄罗斯、美国、印度和欧盟——甚至讨论要把中国踢出这个项目,因为担心中国将利用从ITER获得的知识加快中国自己的CFETR建设速度。

可是,如果没有中国的支持,被多年的延迟和大大超支困扰的ITER将无法继续下去,而且,近年来中国在该项目中的影响力显著提高。

ITER的中国籍雇员人员最初在7个参与方中是最少的,如今已经是第二多的,仅次于欧盟。

牛津大学基督圣体学院院长、前英国卡勒姆聚变中心主任史蒂文·考利教授说,对其他国家来说,最好的选择是接受甚至支持中国领导聚变研究。

当然,无论中国的核聚变发展到了何种程度,均道阻且长,需要国际社会的共同努力,就像中国科研人员所说的,没有国际社会的共同努力,中国的核聚变研究不会这么快取得进展。

在可控核聚变磁约束路径上,现在也并非只有托卡马克装置一条技术路线,德国人就一直坚持研究仿星器装置。

仿星器装置的思路是美国科学家,普林斯顿大学的天体物理学家斯必泽提出的。

他从恒星的聚变上得到启发,从理论角度分析了环形装置(托卡马克装置)中磁场的弯曲和内外两侧的不均匀性,将使等离子体向器壁扩张而消失。为了克服这个缺陷,他把环形容器扭曲成8字形。

简单地说,托卡马克装置是一个甜甜圈,而仿星器则是一根麻花。


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在德国联邦政府、州政府以及欧盟的共同出资下,德国建起了世界上最大的仿星器装置实验室,其仿星器实验装置被命名为Wandelstein X-7。


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仿星器装置模型


除了磁约束可以用于研究可控核聚变,我们上文还提到,惯性约束也可以。目前,惯性约束路径研究进展最快的是美国的国家点火装置(National Ignition Facility,简称NIF)。


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惯性约束


NIF一开始并非为研究可控核聚变而启动的。90年代初,苏联刚刚解体,美国突然之间失去了头号对手,花巨资研究核武器技术已经不那么必要了。当然,美国对不断提升核武器性能的兴趣并没有减少。

因此,美国开始找寻核试验替代方案,美国科学家站出来建议,可以用激光制作点火器,起爆微型氢弹。这样不仅可以低成本地继续研究核武器技术,而且还可以促进激光技术的研究,为激光武器提供技术基础。

于是,NIF应运而生。

1994年,能源部拨款启动了“国家点火装置”的技术,耗资40亿美元,于2010年建成。

从外面望去,NIF是一栋10层楼高的建筑物,它长215米,宽120米,大概是三个足球场大的面积。

为了让微小的靶心发生核聚变反应,NIF利用激光制造的高温,要比太阳内部的温度还要高百倍,实质上就是一个超级复杂的激光光学系统,把激光控制系统做好了,NIF也就基本成功了。


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NIF内景


当然,对于可控核聚变惯性约束的研究,并非美国一家,我国也有“神光计划”,在进行可控核聚变惯性约束方向的技术研究。

道路是曲折的,前途是光明的。相比核聚变理论刚提出时,人类经过几十年的苦心研究, 对于可控核聚变的研究已经取得了很大的成果。

随着技术不断被突破,人类离最终掌握可控核聚变技术的距离,还是越来越近。

对于中国的可控核聚变发展,大量科学家坚持不懈的努力也给了我们很大信心,正如中国工程院院士李建刚所说,在我有生之年,如果有一盏灯泡能被聚变之能点亮,这一盏灯泡,一定要也只能在中国。

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