“東方超環(huán)”，離“無限”能源更近一步

一只大黑貓

未來社會的“主流”能源

目前人類社會使用的主要能源，依然是化學(xué)能——燃燒石油或者煤炭所產(chǎn)生的能量。但是無論石油還是煤炭，資源總有枯竭的一天，而核能，則可能是繼化學(xué)能之后，人類社會最主要的能源?，F(xiàn)在人類所能掌握的可控核能轉(zhuǎn)化技術(shù)是核裂變，但是裂變反應(yīng)后會產(chǎn)生放射性核廢料，具有一定風(fēng)險，遠有切爾諾貝利，近有日本福島，往往都讓人談“核”色變。

與之相對的是核聚變。在《流浪地球》中，“燒石頭”的行星發(fā)動機采用的正是核聚變技術(shù)，而在現(xiàn)實中則是利用從氫的同位素氘和氚實現(xiàn)核聚變。比起核裂變，核聚變技術(shù)就安全許多，氘氚核聚變產(chǎn)物主要是沒有放射性的氦和中子，因此是一種清潔能源。而且從理論上來說，每一升海水提取的氘，通過核聚變能釋放相當(dāng)于300升汽油燃燒的能量。因此，核聚變被認為是未來徹底解決人類能源問題的重要途徑。

核聚變反應(yīng)原理

困難的“可控”

然而，實現(xiàn)聚變并不容易。由于原子核都帶正電，相互間有強大的電斥力，必須為它們提供巨大的動能，才能讓它們克服斥力發(fā)生碰撞，進而在強相互作用力的影響下聚合。而且，原子核碰撞后聚變的概率也不高，只有讓含有海量數(shù)字原子核的等離子，在一定單位的空間里密集聚集，才能維持穩(wěn)定的核聚變反應(yīng)狀態(tài)。上面那句話，說得更直白一些就是要讓等離子體獲得穩(wěn)定的的高溫、高壓和占據(jù)適當(dāng)?shù)捏w積。

恒星都是典型的天然核聚變“反應(yīng)堆”，它們自身有著龐大的體積與質(zhì)量，并通過萬有引力實現(xiàn)聚變。以太陽為例，其內(nèi)部溫度高達1500萬攝氏度，壓力高達3000億個大氣壓，這保證了它能在數(shù)十億年的時間里，穩(wěn)定地將光和熱散發(fā)到宇宙中。

我們要造的核聚變反應(yīng)堆，自然不可能有恒星那樣巨大的體積，因此維持核聚變需要更高溫度和壓力。人類現(xiàn)在可以通過原子彈爆炸產(chǎn)生的超高溫高壓環(huán)境來實現(xiàn)核聚變，并由此制造出了武器——氫彈。但難就難在“可控”兩個字上，氫彈爆炸瞬間中心溫度可高達2億攝氏度，任何固體都不能承受這樣的高溫，因此這種聚變也無法穩(wěn)定控制。人們想出的解決方案，就是用沒有實質(zhì)的“場”來對聚變反應(yīng)的中心進行約束。目前科學(xué)界具體有兩種不同思路：

慣性約束

用大功率激光照射聚變?nèi)剂习校尵圩內(nèi)剂舷騼?nèi)壓縮，迫使聚變?nèi)剂现械脑雍嗽谧陨響T性作用下，在極短時間內(nèi)迅速積聚并加熱到極高溫度，從而發(fā)生聚變反應(yīng)。

磁約束

利用原子核帶電的特點，由電磁力來約束和加熱。由于電磁場可以保持長期穩(wěn)定，目前學(xué)界多數(shù)科學(xué)家認為，磁約束是較易實現(xiàn)穩(wěn)定可控核聚變的方式。

以人類現(xiàn)有技術(shù)水平，上述兩種思路都還不成熟，無法投入實際商業(yè)化運用。而“東方超環(huán)”就是采用磁約束控制的實驗裝置。

精密的“磁籠”

磁約束的原理是帶電粒子在磁場中運動時，會受到電磁力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)。只要用磁場設(shè)計出合適的“磁籠”，就能讓粒子像在操場上跑步一樣沿閉合軌道環(huán)形運動。這樣不僅能避免上億攝氏度的高溫等離子體接觸固體的反應(yīng)堆外殼，還能通過磁場的脈沖變化，像微波爐一樣對等離子體進行加熱，從而實現(xiàn)核聚變的持續(xù)可控化。

理論聽起來很簡單，但等離子體由海量原子核和電子構(gòu)成，這些帶電粒子還會隨溫度和壓力的變化，不斷改變速度和運動軌跡。因此要實現(xiàn)穩(wěn)定高溫，必須先獲得足夠強的磁場和對其精密控制，各種磁約束裝置在設(shè)計和制造上都有很高的難度。

以“東方超環(huán)”為例，它實質(zhì)上是由磁體、等離子體容器以及外圍設(shè)備構(gòu)成的“磁籠”。

磁體

由超導(dǎo)體材料制成，有環(huán)形以及“D”形，通過高精度可靠電源供電后生成強磁場。

等離子體容器

容納等離子發(fā)生反應(yīng)的設(shè)備，需要維持很高的真空度，并需要有承受中子和失去約束的原子核轟擊的強度。

“磁籠”示意圖

漫長的征程

早在20世紀(jì)50年代，關(guān)于磁約束可控核聚變的研究就開始投入實驗，但幾十年來，這個技術(shù)仍然一直停留在實驗階段。這是因為要讓氘氚聚變發(fā)電真正的實用化，且具有較高的經(jīng)濟性，就需要可控核聚變反應(yīng)達到更高溫度和更長持續(xù)時間，這對裝置性能提出了新的要求，如需要磁場更強的超導(dǎo)磁體等。因此每一次反應(yīng)溫度的提高，或者每一秒持續(xù)時間的延長，其背后都需要全世界相關(guān)的研究機構(gòu)，以及成千上萬的科技人員攻克無數(shù)的難題?！皷|方超環(huán)”在這方面取得的歷史突破，在2019年10期雜志中有過詳細介紹，在此不再贅述。而這次的1億攝氏度下維持10秒鐘的聚變反應(yīng)，雖然離技術(shù)實用化依然遙遠，但仍然是一次重大突破。

值得一提的是，從2017年起，中國啟動了完全自主的聚變工程實驗堆（代號CFETR）計劃。計劃2021年開始建設(shè)，2035年完成并投入實驗，2050年建設(shè)商業(yè)化的示范聚變反應(yīng)堆，這也是國內(nèi)科學(xué)家為最終解決能源問題規(guī)劃的路線圖?！盁o限”能源征程依舊漫長，未來讓我們拭目以待。