▲5月28日凌晨，在全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）控制大廳，屏幕顯示1.2億攝氏度等離子體運行突破100秒的瞬間。圖片來源：新華社
中國“人造太陽”實驗刷新世界紀錄，意味著人類讓核聚變成為取之不竭用之不盡清潔新能源的努力，又取得瞭一次突破性進展。
▲5月28日凌晨，在EAST控制大廳，屏幕顯示實驗進入10秒倒計時。圖片來源：新華社
核聚變是理想的終極能源
能源是驅動萬物運行的根本動力。現今人類使用的能源主要有化石能源（煤、石油、天然氣）、風能、水能、太陽能和核能（核電站發電）。但這些能源都存在諸多缺陷，如面臨資源枯竭、環境污染、危害健康和生命（核電站事故產生輻射）、受限於氣候或地理條件等，因而不能全面和充分滿足人類需求。
然而，核聚變產生的能源，既可以充分滿足人類需求，又沒有污染環境和危害人類、生物的弊端。
據測算，1升海水中含有的氘，核聚變反應後即可產生300升汽油燃燒的能量，生成物也沒有危害。因此，核聚變能源被認為是理想的終極能源。
人類生產和生活的各個方面，都可以采用核聚變能源。雖然不是“永動機”，但核聚變可以超長時間地提供能源，不僅可以實現美國漫威超級英雄鋼鐵俠依靠胸口那個小型反應爐供能，日常生活中的電動汽車、手機等也都用不著充電，就連宇宙飛船都可以擁有無窮無盡的能源遨遊太空。
不僅如此，核聚變的產物為氦和中子，不排放有害氣體，也不危害生命和健康，有助於讓生態和環境保持良好狀態，減少地球上的溫室效應、酸雨、霧霾。而且，由於原料從海水中就能獲得，核聚變能源的獲得成本將極為低廉。
▲4月28日，在中科院合肥物質科學研究院，工作人員對全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）進行升級改造。圖片來源：新華社
實現核聚變發電面臨兩大難點
核聚變的首要條件，是使燃料處於物質第四態，即等離子體態。等離子體是一種充分電離的、整體呈電中性的氣體。在高溫狀態下，等離子體中的電子獲得足夠的能量擺脫原子核的束縛，原子核完全裸露，使得核子碰撞和反應成為可能。
當等離子體的溫度達到幾千萬攝氏度甚至數億攝氏度時，原子核可以克服斥力進行聚合反應。再加上足夠的密度和足夠長的熱能約束時間，核聚變反應就可以穩定地持續進行。
當然，可控核聚變作為一種能源，最重要的指標是能量增益系數，可稱為Q，即聚變產生的能量與維持等離子體所消耗的能量的比值，也就是輸出/輸入。顯然，Q要大於1，即輸出大於輸入才能為人們供給能源。
早在1957年英國物理學傢勞森（John D. Lawson）就提出瞭一個準則，如果想要Q大於1，等離子體的密度、溫度、能量約束時間的乘積（即聚變三重積）應當大於一個定值。
也就是說，要讓“人造太陽”的產能和供能成為現實，必須滿足幾個條件：要有1億攝氏度以上的高溫，要把等離子體長時間約束在有限的空間中，還要有足夠高的密度。進一步看，要實現核聚變發電，如何實現上億攝氏度點火和等離子體穩定長時間約束控制，是尤為困難的兩大難點。
現在，中國的研究也正在朝向這個定值發展。中國在EAST裝置進行的核聚變實驗，是通過電磁感應的磁通量變化，將能產生≥100萬安培的等離子體電流；持續時間將達到1000秒，在高功率加熱下溫度將超過1億攝氏度。
▲4月13日，EAST在升級改造中。圖片來源：新華社
多國都在推進“人造太陽”計劃
由於認識到核聚變是解決人類未來能源的終極目標，因此，國際上核聚變研究既有合作，也有競爭。
合作的標志是，2020年7月28日，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃重大工程安裝啟動儀式在法國該組織總部舉行。ITER計劃由中國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方共同實施。
作為聚變能實驗堆，ITER要把上億度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達837立方米的磁籠中，產生50萬千瓦的聚變功率，持續時間達500秒。50萬千瓦熱功率，已經相當於一個小型熱電站的水平。
這種磁籠就是全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），美、韓等國都在進行相關研究。
2020年12月28日，韓國超導托卡馬克高級研究（KSTAR，稱為韓國的“人造太陽”）創造當時新的世界紀錄，其離子體在超過1億攝氏度下維持瞭20秒鐘。顯然，要比中國現在的1.2億攝氏度101秒等離子體運行在溫度上較低，在時間上也差瞭5倍。
而在更早之前的2018年，美國麻省理工學院等離子體科學與核聚變中心，開始設計建造比ITER更先進的聚變反應堆SPARC，意思是最快、最小、民營、實惠、既緊湊又強力的熱核聚變裝置，比ITER反應堆體積縮小數十倍、成本大幅降低。但這一目標能否實現，還有待觀察。
現在，中國研究人員實現瞭1.2億度101秒等離子體運行，把2020年EAST裝置物理實驗獲得的1億度20秒的世界紀錄提高瞭5倍，說明中國在EAST裝置綜合研究能力上又有瞭重大突破，也向獲得核聚變能源又邁出瞭重要一步。
未來如果實現“人造太陽”產能和供能，對於整個人類世界將是比工業革命更能推動社會進步的又一次科技革命。
□張田勘（專欄作傢）
留言列表
