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【工业之美】科学家们要造一个人工太阳 它能给人类带来取之不尽的能源

如果成功实现对核聚变的商业化应用,人造太阳就将诞生,它将把1升海水的能量提高到与300升汽油相当。

图片来源:视觉中国

普通人在关心明天是否为晴天、太阳会不会被雾霾遮挡,一群科学家们却计划自己造一个“太阳”出来。

太阳的光和热来自内部的热核聚变反应,仿造这个原理,他们开始了一项名为“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”的工程。如果成功,意味着人类在未来将获得清洁且取之不尽的能源,彻底解决能源危机。

ITER厂址模拟
ITER基础平面图

人类开发核能的途径主要有两条——重元素的裂变和轻元素的聚变。利用核裂变原理,人类已建造了几百个核电站,但是对于核聚变的利用却落后很多。

核聚变产生巨大的能量高于核裂变,一直以来被科学界视为人类的终极能源。核聚变所需的燃料氘、氚,在自然界中储存量十分巨大,海水中就能提取。

热核实验反应堆的结构示意图

中国科普网曾报道称,海水中氘的含量为十万分之三,即1升海水中含有0.03克氘。这0.03克氘聚变时释放出采的能量等于300升汽油燃烧的能量。因此,有人用“1升海水=300升汽油”这样的说法,来形容海洋中核聚变燃料储藏的丰富性。也有科学家称,一公斤核聚变燃料所产生的电能又等同于1.1万吨煤炭。

热核实验反应堆的模拟图

1991年11月,在欧洲联合环型核裂变装置上,成功地进行了首次氘-氚受控核聚变试验,反应时持续时间虽然只有2秒,温度却高达3亿度,发出了1.8兆瓦电力的聚变能量。

热核实验反应堆的运行模拟图

但核聚变具有很强的不可控制性。如何开启和停止反应,又如何对核聚变的反应速度进行控制,这一系列问题的解决,是实现核聚变可控的关键。

目前,人类对聚变反应的控制,主要是依靠一种环形容器,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,实现受控核聚变。这种装置被称为托卡马克(Tokamak),名字来源于其的关键词——环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。

托卡马克核聚变环装置

常规托卡马克装置虽然可以实现受控热核聚变,但其体积庞大、效率低,突破难度大。二十世纪末,科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克装置。

前苏联T-15托卡马克装置

ITER装置,就是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克,业内俗称为“人造太阳”。

曾经俄罗斯科学家想通过利用超薄反射膜制造太空照明系统,制造“人造月亮”,并在1999年付诸行动,由俄罗斯进步M-40货运飞船携带了一面反射镜进入太空,但最终未能成行。

相比下,ITER“人造太阳”的工程规模就更为庞大,基础也更为深厚,涉及包括欧盟、中国、美国、日本、俄罗斯等国在内的七方,是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,地位等同于国际空间站研究、欧洲加速器、人类基因组测序研究等项目。

早在1988年,该工程就开始了实验堆的研究设计工作。当时计划首堆建设的总投资为50亿美元,但光工程设计,花了13年时间,耗资15亿美元,于2001年完成。

后来,又花费了五年时间谈判,涉及的七方终于在2006年正式签署联合实施协定,开始启动ITER计划的正式实施工作。首个反应堆最终被确认建在法国的卡达拉舍,整体工作预计所需的时间为35年,其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。

法国在建的国际热核反应堆

中国于2003年加入ITER计划,并将承担ITER装置中137个采购包制造任务的12个,接近总任务量的10%。

但实际上,中国对核聚变能研究开始于1960年代初,主要依托的单位为隶属中国核工业集团公司的西南物理研究院(SWIP)和隶属于中国科学院的合肥等离子体物理研究所(ASIPP,下称中科院合肥物质研究院)。

2006年,中国自行设计、研制的世界上第一个全超导托卡马克EAST(原名HT--7U)核聚变实验装置成功完成首次工程调试,并于2007年3月通过国家验收,之后实现多次放电。这个装置,虽然规模上大大小于ITER,但是位形却与之相似。

世界上第一个全超导托卡马克装置,中国EAST装置。

在ITER计划中,纵场线圈导体采购包是中科院合肥物质研究院所承担的首个ITER采购包,也是中方第一个开工的ITER采购包。2015年12月,中科院合肥物质研究院对外表示,中国完成了这一ITER部件的采购生产,验证了中国大型超导导体研制和工业化生产能力进入国际一流水平。

中国EAST装置

2016年1月,中核集团表示,ITER中国氦冷固态增殖剂实验包层项目正式启动,由中国自主设计研发的ITER中方测试包层模块项目正式迈入初步工程设计阶段。验证氚增殖包层技术是ITER的三大工程目标之一。

美国是参与ITER计划的国家之一,在1998年退出ITER计划后,又于2003年重新加入。其在国内也积极在研制自己的“人造太阳”——美国国家点火装置(NIF)。这是一个激光聚变机器,坐落在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一个特大号“仓库”里。

美国NIF装置建造图

它的原理是,利用激光器产生激光束,射向一个含氘氚的氢球形靶丸上使其崩溃,并产生1亿摄氏度左右的高温,从而触发氢原子聚变,释放大量能量。2013年10月,NIF装置首次实现输出能量超出输入能量。

国家点火装置的靶室

不过,采用托卡马克装置的ITER,也被一些科学家质疑设计存在安全隐患。这是托卡马克装置自带的缺陷,因为其受到电流的控制,一旦电流或磁场中断,整个反应堆将会被破坏,影响安全。

从目前科学界对于核聚变的研发上看,另一核聚变研究设备——仿星器(Stellarator)很可能后来居上。它的原理是通过模仿恒星内部持续不断的核聚变反应,将等离子态的氢同位素氘和氚约束起来,并加热至1亿摄氏度的高温,发生聚变以获得持续不断的能量。

2015年12月10日,德国马克斯·普朗克研究所下属的等离子体物理研究所宣布,用于研究核聚变反应的世界最大仿星器“Wendelstein 7-X”(W7-X)当天开始运行,并首次制造出氦等离子体。

德国仿星器代号“Wendelstein 7-X”(W7-X),其一次运行可以连续约束超高温等离子体长达30分钟。

【工业之美】是界面工业能源团队开设的一个新栏目,关注工业、能源科技领域所有与创新、有趣、脑洞有关的趋势、产品、话题。初步推送频率一周1-2篇,每周推送。

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