“人造太陽”應(yīng)用前景可期

李偉

在地球上開發(fā)并運(yùn)行“人造太陽”，被科學(xué)家視為解決能源問題的一個(gè)重要途徑。但需要關(guān)注的是，太陽核心所發(fā)生的核聚變，其功率密度并不大。就算人類讓可控核聚變成為現(xiàn)實(shí)，“人造太陽”能作為一種新的能源嗎？

太陽核心的溫度達(dá)到1500萬攝氏度

“人造太陽”內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2021年12月30日，中國EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置（“東方超環(huán)”）成功實(shí)現(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

據(jù)法新社報(bào)道，2021年5月，“東方超環(huán)”實(shí)現(xiàn)了溫度1.2億攝氏度、持續(xù)101秒，以及溫度1.6億攝氏度、持續(xù)20秒的等離子體運(yùn)行;12月30日，它又實(shí)現(xiàn)了溫度7000萬攝氏度、持續(xù)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行。這些都是了不起的科研成果，也是中國在“人造太陽”開發(fā)方面所取得的重要階段性成果。

與“東方超環(huán)”類似的裝置，在科學(xué)界有統(tǒng)一的名稱——托卡馬克。它源自蘇聯(lián)科學(xué)家在20世紀(jì)50年代發(fā)明的一種環(huán)形容器。這個(gè)名稱是其構(gòu)成要素——環(huán)形、真空室、磁場和線圈的俄語縮寫。顧名思義，它就是一個(gè)環(huán)形真空室，其中遍布由線圈提供的強(qiáng)大磁場。

在托卡馬克裝置中，強(qiáng)大的磁場對于帶電的等離子體來說，相當(dāng)于一個(gè)容器，且沒有任何實(shí)物直接與等離子體接觸。所以，等離子體可以被加熱到極高的溫度。當(dāng)?shù)入x子體的溫度足夠高時(shí)，其氘、氚原子核的熱運(yùn)動(dòng)就能克服彼此之間的排斥力，從而猛烈撞擊，生成氦原子核，并放出中子和大量能量——這就是核聚變反應(yīng)。

核聚變反應(yīng)是太陽的能量源泉，托卡馬克裝置產(chǎn)生能量的原理是促成核聚變，所以這類裝置被形象地稱為“人造太陽”。

太陽表面的溫度達(dá)5500攝氏度左右，這聽上去是一個(gè)很高的溫度，但在核物理領(lǐng)域可以說是微不足道的。雖然地球上沒有太多能夠承受如此高溫的材料，但要達(dá)到這一溫度并不困難。例如電焊設(shè)備生成的電弧，溫度就高達(dá)6000—8000攝氏度。

太陽的核聚變反應(yīng)發(fā)生在核心部位，其溫度達(dá)到1500萬攝氏度，這對人類來說無疑是個(gè)天文數(shù)字。不過，你可能想象不到，太陽核心發(fā)生的核聚變，功率密度只有每立方米276.5瓦。通過對比，我們就能認(rèn)識(shí)到這個(gè)功率密度有多小——人體的發(fā)熱功率密度約為每立方米100瓦。也就是說，太陽核心的功率密度只相當(dāng)于人體的2.8倍。那么，它怎么能夠?yàn)檎麄€(gè)太陽系，包括地球生態(tài)圈提供能量呢？

答案是：太陽實(shí)在太大了。其質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.86%，其半徑為70萬千米，是地球的110倍。因此，就算功率密度較小，它仍然能夠依靠龐大的體量產(chǎn)生巨大的能量。

在太陽的核心，質(zhì)量按照愛因斯坦“質(zhì)能方程”轉(zhuǎn)化成能量。巨大的能量以可見光的形式向外界輻射，抵達(dá)遙遠(yuǎn)的地球。能量在穿過大氣層時(shí)有所損耗，在到達(dá)地表時(shí)，仍然能夠保持每立方米100瓦的水平。

太陽核心較小的發(fā)熱功率密度帶來一個(gè)好處——燃燒更持久。太陽能夠發(fā)熱，也會(huì)散熱。幫助太陽核心“保暖”以維持其“體溫”的，是整個(gè)太陽——這可比我們的羽絨服厚多了。更何況，太陽表面之外是真空，其大部分能量只能通過黑體輻射的形式散發(fā)出去，所以散熱過程相當(dāng)持久。

太陽從50億年前開始核聚變的那一刻起，就沒有從外界攝取過任何能量，但它還能再燃燒約50億年。

持久穩(wěn)定的能量供應(yīng)，是地球生命誕生的重要條件之一。宇宙中出現(xiàn)的第一批恒星都比太陽大得多，其核心溫度比太陽的核心溫度高，核聚變功率密度也比太陽大得多。但是，正因?yàn)樗鼈內(nèi)紵锰^劇烈，第一代恒星往往在幾百萬年內(nèi)就燃盡了自己——這么短的時(shí)間遠(yuǎn)不足以支持復(fù)雜生命系統(tǒng)的誕生和發(fā)展。

可以說，正因?yàn)樘柕暮诵牟粔颉盁帷?，地球才能出現(xiàn)生命，人類才能誕生并發(fā)展至今。

如果人類開發(fā)的“人造太陽”，與太陽核心的功率密度相當(dāng)，那么就難以解決能源問題，因?yàn)榈厍蛏喜豢赡茉斐鱿裉柲敲创蟮摹叭嗽焯枴?。所以，科學(xué)家在制造“人造太陽”時(shí)，并未完全參照太陽的標(biāo)準(zhǔn)。

在太陽核心，氫元素主要是以單個(gè)質(zhì)子的氕的形式存在，帶一個(gè)中子的氘和帶兩個(gè)中子的氚并不多。當(dāng)兩個(gè)氕原子撞到一起，就形成氦元素——不帶中子的氦-2。氦-2極不穩(wěn)定，馬上會(huì)變成兩個(gè)質(zhì)子。因此，這并不算真正的核聚變。

俄羅斯科學(xué)家曾設(shè)想用氫彈發(fā)電

只有當(dāng)兩個(gè)氕原子碰撞的一瞬間，相互作用力主導(dǎo)的β衰變讓一個(gè)質(zhì)子衰變成中子，并放出電子和電中微子，才能形成氘原子核，并穩(wěn)定存在。然后，氘原子核繼續(xù)進(jìn)行核聚變，產(chǎn)生能量。所以，太陽核心的核聚變反應(yīng)，效率是非常低的。如果“人造太陽”模仿這種核聚變反應(yīng)，就看不到應(yīng)用前景。

在上述核反應(yīng)中，最關(guān)鍵的是氦-2里面沒有中子，極不穩(wěn)定。如果一開始就用帶中子的氘或氚進(jìn)行反應(yīng)，那么就不需要依靠β衰變，可以直接生成氦-4，并產(chǎn)生大量能量。溫度的提升能大幅增大核聚變的功率——“人造太陽”模仿的是這種核聚變反應(yīng)。其溫度比太陽核心的溫度要高得多，超過1億攝氏度。反應(yīng)過程也比太陽核心更合理，這才有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)比太陽核心大得多的功率密度，從而成為可利用的能源。

厘清了“人造太陽”的工作原理，我們就能夠明白，目前的托卡馬克裝置只有繼續(xù)提高等離子體的溫度，增大等離子體的密度，延長等離子體的運(yùn)行時(shí)間，才能實(shí)現(xiàn)可控核聚變。溫度、密度和時(shí)間三者的乘積被稱為“三重積”，只有它超過一定數(shù)值，才能形成向外供能的人造核聚變裝置。

人類其實(shí)很早就讓“三重積”越過了核聚變的門檻，氫彈就是實(shí)例。不過，氫彈溫度太高，功率密度太大，利用起來難度極大。俄羅斯物理技術(shù)研究院在1997年出版了《核爆氘能能源學(xué)》，系統(tǒng)地分析了“氫彈發(fā)電”方案的可行性。俄羅斯科學(xué)家設(shè)想在山體中挖出一個(gè)空腔，在其中引爆氫彈，將熱量轉(zhuǎn)移出來，用于發(fā)電。不過，到目前為止，還沒有一個(gè)國家實(shí)踐過這種發(fā)電方式。

除了托卡馬克裝置，科學(xué)家還利用“慣性約束”裝置促成核聚變，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)輸出能量大于輸入能量。2021年8月8日，三個(gè)足球場大小的美國“慣性約束”裝置，將192束總能量為1.9兆焦的激光在20納秒內(nèi)聚焦到一粒胡椒大小的核聚變材料上，釋放出1.35兆焦的能量，輸出能量達(dá)到輸入能量的70%——這已接近能量平衡點(diǎn)。

總體上，以“人造太陽”為代表的可控核聚變裝置離人類越來越近。未來的核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER），其目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)可控核聚變，讓核聚變的輸出能量達(dá)到輸入能量的10倍左右，從而實(shí)現(xiàn)“人造太陽”的實(shí)際應(yīng)用。

編輯：姚志剛? winter-yao@163.com