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中国突破聚变关键技术,为「太阳」安装防火墙,人造太阳是什么?

2022-11-24科学

可控核聚变,您了解多少呢?

中国突破聚变关键技术,为「太阳」安装防火墙,人造太阳是什么?

中国自古就有夸父逐日地传说。太阳光每秒钟向地球输送的能量,就相当于燃烧500万吨煤的产生的热能。如今,全球的核科学家们正在研究一种类似太阳的装置,这项实验被称为国际热核聚变实验堆由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国七方共同参与建造,被誉为全世界最大的「人造太阳」。

核聚变不同于裂变,无污染无辐射。这次由中国率先突破的核心部件是被誉为「太阳防火墙」的增强热负荷第一壁。这标志的着中国突破了「增强热负荷第一壁」这一关键技术,不仅为我国自主掌握关键技术、展现大国担当做出了贡献,也为「人造太阳」计划提供了「中国智慧」和「中国方案」。

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其实,从去年开始,中国在「人造太阳」项目上,就显示出不凡实力。成功实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,将原纪录延长了5倍!如今,又取得如此成果,这也让中国核科技大放光彩。

虽然是国际合作,但当年中国启动「人造太阳」的时候,超导等关键技术一直掌握在少数发达国家手中,向外国购买超导材料吃尽了苦头。随着在热核聚变领域不断取得突破,中国核科技正在发出了自己的声音。

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那么,「人造太阳」到底是什么?为什么世界各国都不遗余力地进行研究。而它的出现,又能解决哪些能源问题呢?本文,我们就来看看这些问题,科普一下「人造太阳」。全文约2000字,预计阅读时间10分钟。

1、人造太阳是什么?

「人造太阳」在科学界有统一的名称——托卡马克。它是环形、真空室、磁场和线圈的俄语缩写。从名称上也能看出,人造太阳是环形真空室,其中遍布着强大的磁场,控制着其中无数的带电粒子。当温度极度高时,其中氘、氚原子核的猛烈撞击,生成氦原子并释放中子和大量能量,形成核聚变。

那么,「人造太阳」有哪些特点呢?

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(1)无实物接触

人造太阳是一个环形真空场。各种带电粒子被其中的磁电等场力约束,没有没有任何实物可以直接与其接触。远远望去,确实非常像一个「人工太阳」。

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(2)高温

「人造太阳」需要一亿度以上的温度,才能使氘、氚混合气体发生聚变。这种高温下想要约束这些等离子体并实现可控,是非困难的事情。而高温是目前人类实现聚变必不可少的前提条件。

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(3)清洁

核聚变不仅原料取之不尽,用之不竭。而且聚变过程产生的辐射很少,放射的时间短。即便是发生了意外,只要破坏了发电室,聚变就结束了。远远比裂变安全,是真正的清洁能源。

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2、人造太阳与真太阳有何区别?

「人造太阳」并不等于小太阳。其实,两者还是有非常大的区别的。严格的角度来说,「人造太阳」是模仿了太阳的聚变反应,但调整了反应配方,其实比真正的太阳更合理,更高效。其区别主要分为如下几个方面。

(1)功率不同

太阳的体积非常之巨大,如果「人造太阳」的功率等同于太阳,那恐怕地球都放不下。所以,科学家在制造「人造太阳」时,并没有完成参考太阳的标准,反而是尽量减小体积,增加功率。

(2)反应物效率不同

在太阳核心,氢元素主要是以单质子的氕的形式存在。这种反应物导致太阳核心的聚变效率很低。如果模仿这种方式的聚变,「人造太阳」就会失去基本的应用前景。因此科学家使用氘、氚混合气体完成聚变,大幅度地提高了聚变效率。

(3)温度不同

「人造太阳」的核心聚变材料与太阳不同,进而也使两者的温度产生了天差地别。而「人造太阳」的温度远远高于太阳,达到了恐怖的一亿摄氏度。这是更高效率聚变所带来的新增条件。但也使得「人造太阳」的聚变更加合理,效率更加高。

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3、太阳其实没有想象中的热

谈到了真正的太阳,就不得不说说太阳的温度。其实,太阳远没有我们想象的那么热,太阳的表面温度是5500摄氏度。这个温度,在核物理领域其实是非常低的。想要达到这个温度是非常容易的,我们日常所见的电焊电弧,温度就在6000摄氏度左右。

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太阳正在的高温在其核心,其核聚变的温度基本在1500万摄氏度左右。这个温度只有「人造太阳」的十分之一,功率密度只有每立方米276.5瓦。也就是说,太阳核心的功率密度只相当于人体发热的2.8倍。这个发热功率低到你不敢相信

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而太阳之所以能为整个太阳系提供动力,只因为其体积实在是太大了。这个角度来说,「人造太阳」是远超于真正的太阳的,这是一种真正的创造,而非简单的模仿。太阳从50亿年前开始核聚变的那一刻起,就没有从外界摄取过任何能量,但它还能再燃烧约50亿年。所以,太阳是够大,但其实没有那么热。

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4、人工可控核聚变

搞清了太阳的原理,你就会发现「人造太阳」是真的伟大。不仅要在效率上产生质变,还要实现整个过程的人工可控。这是非常困难的,但人类「控制聚变」在这条路上,已经行走了半个世纪。

氢弹就是聚变不可控的标准实例。而前苏联的科学家一度希望控制氢弹,他们还提出了著名的「氢弹发电法」。将大山的体内挖空,再将氢弹置于其中并引爆,其产生的巨大能能量可以慢慢引出,用于发电。这种极富创造力的发电方式在科学角度上是具备条件的,只是没有任何一个国家愿意实践。

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除了「人造太阳」,2021年,美国还利用「惯性约束」装置促成核聚变。这个装置有三个足球场大,通过一系列的控制,成功将192束总能量为1.9兆焦的激光在20纳秒内聚焦到一粒胡椒大小的核聚变材料上,释放出1.35兆焦的能量,输出能量达到输入能量的70%,这已经非常接近能量的平衡点了。

目前,最可能实现「可控聚变」的,就是「人造太阳」。其目标就是轻松控制核聚变的输出能量达到输入能量的10倍左右。这样,用之不竭的「人造太阳能」就会出现在我们的生活中了。

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5、结语

人类科技前行的步伐永不停止,而「人造太阳」一定会有出现的一天。中国作为当今世界数一数二的大国,更应该在「可控聚变」上寻求突破。「人造太阳」不仅是一项科研实验,更是大国重器。幸运的是,我们现在已经取得了多次重大突破。

加油吧,我的国,希望在有生之年,看到属于中国自己的「人造太阳」。

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