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为什么核聚变被称为“人造太阳”?“人造太阳”离我们还有多远

北极蚊子 2018-11-5 13:10

1994年11月05日,美核聚变发电功率首次突破千万瓦。那么,为什么核聚变反应堆 被称为“人造太阳”呢?

太阳发光的能源之谜,让人类探究了上千年,直到20世纪英国物理学家卢瑟福发现了核聚变反应,才促成了太阳的能量来源于氢核聚变生成氦核的假说,太阳发光由此得到了合理解释。氢核聚变的发现也使人类产生了新的梦想,在地球上做出“人造太阳”。

太阳的能量正是来自核聚变。太阳质量是地球的33万倍(2×10 30千克),强大的引力使核心处密度高达150克/厘米3,温度接近1360万开。在这样的条件下,氢核之间频繁地进行碰撞,每秒要燃烧6.2亿吨氢。不过这样强大的引力束缚条件在地球上是无法实现的,要大规模地进行人工核聚变必须寻找另外的途径。

氢弹是以原子弹作为“触发引擎”,利用原子弹促进爆炸时产生的高温,使氘发生核聚变反应。第一枚氢弹的研究工作由美籍匈牙利裔的科学家爱德华·泰勒领导,以液态氘作为核聚变原料。而苏联首先实现了可用于作战的氢弹,其方案是采用锂-6和氘的化合物氘化锂作核燃料。只是这些武器对民用没有什么帮助。

那么,怎么和平地实现像太阳一样的核聚变用于发电呢?我们要把非常少量的氘和氚气体,加热到非常高的温度,并且让它们在一个小范围内充分碰撞。现在实验中可以把氘、氚气体加热到太阳温度的10倍,在这样的高温下,原子中的电子会被剥离开,变成等离子体。关键在于怎么把等离子体束缚在空间之中,让它们不跟墙壁接触。因为等离子体喜欢沿着磁力线跑,物理学家的办法之一就是使用一个面包圈形状的“笼子”,让等离子体环绕中间的磁场运动。这样的装置叫作“托卡马克”。

但等离子体并不总是老实地绕着磁场旋转,它们会发生各种复杂的不稳定性。多年以来,物理学家已经解决了很多不稳定性,可是就好像物理学在故意捉弄我们一样,新的不稳定性又不断地被发现。

不过,大自然有时候也会给物理学家一点惊喜。1982年,德国科学家发现如果把对等离子的加热功率从160万瓦提高到190万瓦,整个约束会突然变好。物理学家至今也没完全搞清楚这是怎么回事,只好把它笼统地称为“高约束模式”。现在包括中国合肥的“先进超导托卡马克实验装置”在内,我们已经能够比较自如地在实验中实现高约束模式。

目前有中国参与的“国际聚变实验反应堆”项目正在进行之中,这将是史上最贵的科学实验。按照计划,这个装置将在2026年前实现对等离子体的稳定控制和10倍于输入能量的聚变能量输出。如果一切顺利,那么第一个商业示范反应堆将在2050年前建成。届时“人造太阳”就可以永驻地球之上造福人类了。

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