法国,35位国家领导人通过视频的方式为国际热核聚变实验堆(ITER)计划重大工程安装启动仪式祝贺。什么是ITER?也就是国际热核聚变实验堆计划,是目前为止,全球规模最大,影响最为深远的一个国际科研合作项目。在2006年,我国正式签署国际热核聚变实验堆(ITER)计划,除此之外,美国、俄罗斯、欧盟等多个国家也参与了这项计划。具体就是计划在法国南部普罗旺斯地区共同建造一个世界最大的托卡马克装置。
什么是托卡马克装置?首先我们要来了解一下,什么是核聚变?
人类似乎对“核”特别敏感,与生俱来的核泄漏、核辐射、核废料都是一些对人类不好的东西,但同时也是一个“强大能量”的代名词。
众所周知,现代原子能的利用包括核裂变和核聚变两种方式。
核裂变是将较重的原子核分裂为较轻的原子核并释放出能量。核裂变可以简单理解为由较大的原子核裂变成几个较小的原子核,并释放出能量,原子弹和核能发电厂正是利用的核裂变的方式,现在核电站主要都是铀裂变,利用热中子去轰击铀-235原子后会放出2到4个中子,释放出来的中子再去撞击其它原子,从而形成链式反应期间释放巨大能量。
铀的裂变反应条件主要是提高铀-235的纯度和体积,所以这一过程会比较烧钱,要花一大堆钱去提取浓缩。而且,铀是具有辐射性的,所以链式反应会造成许多核废料,核废料通常都需要深埋地底。
而核聚变,顾名思义,就是两个原子核的核融合产生新的原子。氢弹正是利用氢的同位素(氘、氚)的核聚变反应所释放的能量来进行杀伤破坏,其威力比原子弹的高,成本也更低。原子会在高速运动时互相碰撞将核外电子撞飞,剩下的原子核重新组成新的元素核。两个原子核聚变成一个较重的原子核,其自身质量的损失则会释放出大量的能量,远大于核裂变释放的能量。
我们都知道,原子核时带正电的,两个原子核靠近时会相互排斥,于是就需要提供一个极高的内能克服两个核间的库伦斥力。我们可以通过增加它的反应温度提高原子的速度或者增加压强,予一个压力进行压缩体积从而提高原子的碰撞几率。
可控核聚变
万物生长靠太阳,太阳用核聚变的方式向太空释放光和热给至1AU外的地球上的生物生长,太阳内部的压力很大,所以只需要很小的温度就可以进行核聚变反应,然而地球上水平受限,我们只能通过增加反应温度进行反应。
所以核聚变反应温度通常需要达到1亿℃,这是什么概念,太阳表面温度时5770k,而太阳内部温度也只到了2000万℃,实际上我们也掌握了核聚变反应,氢弹爆炸是不可控的核聚变反应,不能作为提供能源的手段。
于是物理学家便致力于在地球上实现人工控制下的核聚变反应,即可控核聚变研究,希望利用太阳发光发热的原理,为人类提供源源不断的能源。因此人们也将受控核聚变研究的实验装置称为“人造太阳”。
托卡马克
可控核聚变是什么?我们都知道核聚变所需的条件是高温高压高密度,要想获得核聚变带来的能量就必须“持久”,就是反应时间长,如果反应时间很短,只不过是短暂的聚变功率。而不能让那个长期获得燃烧放出能量。太阳之所以能够燃烧个50亿年,主要是靠着太阳内部的万有引力进行约束。
于是在1950年,苏联科学家提出托卡马克装置,即环形真空磁线圈,相当于是一个“磁容器”,装置的内部是一个超高功率的“微波炉”对原子升温,使其变成等离子体,外部利用电环流产生一个环状磁场对等离子体进行一个束缚作用。因为所需的磁场很强,所以需要很大的电流,于是就要使用超导材料,所以目前的装置实际是叫做,超导托卡马克装置。
而在我国中科院合肥物质研究院在2013年1月5日宣布,“人造太阳”实验装置辅助加热工程的中性束注入系统在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出。但是这还远远不够,人类努力了几十年,还没有实现核聚变能的和平利用。
而法国的ITER也是一个超导托卡马克装置,这是一个费钱费时间的多国合作的项目,也更是为人类探索新能源的一大跨越,当然我国的EAST全超导托卡马克装置也在科学种探索着。
可控核聚变的优点:一是燃料在地球上的储量极为丰富;二是不产生高放射性核废料,不污染环境;三是具有固有安全性等优点。解决人类能源问题和环境问题,推动人类社会可持续发展的重要途径之一。
如果有一天,人类真正实现了全超导托卡马克聚变堆的点火,就能遨游在能源堆里,那时,太空遨游也都不是梦了,人类也将迎来新纪元。