7000萬℃維持1056秒!中國“人造太陽”新紀錄,清潔能源還遠嗎?

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12月30日晚,中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)實現1056秒的長脈沖高參數等離子體運行。

此前我國的EAST也創造瞭多項的記錄,它直徑約8米,重400多噸,在十多年的時間內,現後實現瞭101.2秒穩態長脈沖高約束等離子體運行、1億℃20秒反應等重大突破。目前下一代“人造太陽”——中國聚變工程實驗堆(CFETR)已完成工程設計,聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施正在建設,預計到2050年實驗成功,建設聚變商業示范堆,完成人類終極能源。

人類能夠發展至今,全憑借太陽對於人類來說幾乎無限的能源,動植物固定能量形成瞭如今的各種化石燃料,人類目前仍主要以化石能源為主,所謂的電能一大半還是火電,是用煤或者天然氣燒出來的。太陽能源對人類近乎無限,可是地球的面積很小,所以單位時間內可以形成的能源有限,對現代人類來說稍有不足,主要是分佈不均勻、技術發展也不均。

大量能源集中在中東和東非地區,可是那裡的技術落後,國傢發展極度不均衡,而能源的需求又造成能源的供給不均衡,這些主要的產出地卻不是主要的應用地。主要的國際市場,亞洲、歐洲、美洲等工業化發達地區,雖然也在用各類新技術探索更深、更難采集的能源,可是因為采集難度高,尚難以形成規模,而那些主要的產出國也需要發展,所以他們會控制能源的開采。

於是供給的不均衡導致瞭如今的能源危機,且傳統能源有污染。並不是說如今的能源不足,而是如今的能源有很大的限制。而我們人類自古以來一直享有著一種對於人類來說幾乎無限且清潔的能源——太陽能。但是限於地球的面積,雖然地球實際上接收到的太陽能源很多,可是很多都用於農牧業生產和野生動植物的生存,加上轉化效率低,所以直接的光能應用少。

而太陽是靠質量約束核聚變的運行,太陽的質量巨大,在形成的時期物質的撞擊、擠壓、摩擦形成瞭內部的高溫,物質等離子體化,內部啟動瞭核聚變,核聚變人類早就掌握瞭,但是卻是氫彈那樣不可控的核聚變,瞬間釋放大量的能量造成極致的殺傷。太陽質量將核聚變束縛在核心,造成太陽有大約11年活動周期,核聚變釋放能量太陽膨脹,膨脹後內部壓力縮小,核聚變減弱,太陽又縮小。

人類知道瞭太陽核聚變的機理,所以就開始研究下一代的清潔能源,可控核聚變,可是卻難以制造出太陽內部那樣強大的壓力和溫度,主要有兩種辦法,一種是磁約束,一種是慣性約束,我國的EAST就是磁約束,用超導磁體將帶電的等離子體束縛在一定的空間,這樣形成的高溫就不好對設備造成損壞;慣性約束是用激光燈加熱,通過向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態,從而發生核聚變反應。

目前人類已經實現過可控核聚變設備輸出能源為正,也就是已經可以做到輸出能量大於啟動核聚變需要的能量,難題是維持可控核聚變在一個較長的時間之內。它未來主要的應用是生產電力,電力因為電磁效應很方便,可以直接用於動力也可以用於加熱。唯一的需求就是要運行穩定,需要較長的持續時間。

而現如今我國的超導托卡馬克核聚變實現瞭1000多秒的反應時間,那說明距離實用又近瞭一步。核聚變的好處是裝置關瞭就停,因為核聚變需要高溫高壓,所以很安全,再者反應隻有些自由中子,也很清潔。

EAST裝置實驗運行總負責人龔先祖告訴記者:“2021年上半年,我們把電子溫度1.2億攝氏度等離子體維持瞭101秒,這次我們是把電子溫度近7000萬攝氏度的長脈沖高參數等離子體維持瞭1056秒,註入能量達到1.73吉焦。這是兩個不同階段的目標,千秒等離子體運行的實現,為未來建造穩態的聚變工程堆奠定堅實的科學和實驗基礎。”

最大的好處是現如今地球上可用於核聚變的氘、氚等物質雖然含量少,但是如果按照公式換算的話,讓人類用個幾百年問題不大,幾百年人類還沒有發展起來,那前途渺茫,可是一旦發展起來,距離地球最近的月球上有大量的氦-3,作為輕元素,它也可能被應用於核聚變,月球的氦-3夠用萬年之久。

茫茫宇宙,最多的元素就是氫和它的同位素,每顆恒星都有大量的氫元素,恒星的核聚變也會釋放大量的氦-3元素,所以能實現可控核聚變幾乎就等於無限能源。以往總是說再過50年就可以實現,但是似乎新突破並不是很大,而我國這次直接在電子溫度7000萬℃下維持1000多秒,無論如何都是巨大的突破。就像專傢說的,在2050年前後建設聚變商業示范堆,走到商業示范就離實際應用不遠瞭。

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  • 本文由 发表于 2021年12月31日
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