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都热成狗了 但科学家却卖萌想“种太阳”

2016-08-10 11:42:00来源:20区编辑:转角遇见你

都热成狗了 但科学家却卖萌想“种太阳”


导语:煤、石油、天然气,这些人类赖以生存的不可再生能源,终有一天将被耗尽,人类社会会停止发展吗?答案是否定的,因为存在这样一种大科学装置,未来只需200公斤的重水和锂就能支撑上海一年的用电量!

这不是科幻,这是承载着人类能源希望的 “人造太阳”托卡马克。它像太阳一样产生无穷、永久的清洁能源,为此,中科院SELF讲坛联合墨子沙龙邀请到中国工程院李建刚院士进行深度解读。



---专家介绍---


李建刚

中国工程院院士 中科院等离子体物理研究所研究员

中国科技大学教授 中国磁约束聚变专家委员会召集人

《plasmascience & technology》主编

长期从事聚变研究,在超导托卡马克工程系统的设计、关键技术、建设、集成、科研等方面取得了多项重大成果



人造太阳 受控的核聚变装置


什么是人造太阳?托卡马克又是什么?


李建刚院士做了这样一个类比:电影《钢铁侠》里,钢铁侠胸前可发巨大光束的离子发射器其实就是一个人造太阳。


由于仿造原理是太阳内部的热核聚变反应,所以称之为“人造太阳”。当把装置内的气体加热到上亿度之后,它会发生巨变进而产生巨大的能量。而这种受控的核聚变装置叫托卡马克(Tokamak),名字来源于环形(Toroidal)、真空室(Kamera)、磁(Magnet)、线圈(Kotushka)。



可大规模生产的无限量清洁能源


人造太阳有上亿度的温度,若要把它装进普通的容器里,在顷刻之间就能烟消云散。于是科学家想到一个办法——用磁的方法将这团上亿度的等离子体火球悬浮起来,在不与容器周边的材料接触的条件下,进行加热、控制,进而成为“太阳”。


然而,现实操作却异常复杂。


首先,悬浮起这团等离子体的火球不是普通的磁场,而是比地球南北极的磁场还要高两万倍以上的一个巨大磁场。


有了磁场还不够,还要考虑悬浮所需的燃料。好在,这种燃料并不难获得。李建刚院士指出,这种燃料是氢的同位素——氘和氚,它们在海水里含量大,资源无限丰富。而且聚变之后的产物就是能源中子和氦气,完全不含其他高放的废料。从这个角度来说,人造太阳作为资源来说是无限的而且绝对清洁,是可以大规模生产的




关于聚变电站的原理,李院士说,首先得有一个类似笼子的磁体外壳(磁笼子),把它形成一个等离子体,用超高温物体使它加热到上亿度,从而能产生氦和中子。中子跑到包层材料中使它加热,加热之后通过水使它转换成蒸汽,通过蒸汽发电。



中国的聚变之路



过去50年,聚变的发展虽然不如计算机一样家喻户晓,但成绩还是非常可观。尤其是在一些发达国家,例如欧洲、美国和日本,他们在一些大装置上都同时实现了可控的核聚变。


其实在很多年前,中国也开始做核聚变,托卡马克最早是苏联人的发明,在90年代初期,中国用价值400万人民币的羽绒服、瓷器和上好的家具在他们手里换来了1800万卢布的托卡马克装置。我们花了一年半的时间把它全部拆掉,又花了两年的时间把它装起来,在这上面做了大量的实验,成绩很不错,在其他国家聚变反应时间只能维持2、3秒钟的时候,我们的装置能多维持60秒钟


也许有人会问,为什么聚变时间这么短,只有两三秒钟?


李院士说,因为磁笼子是用常规的铜线制作的,耗能大,但未来发电不可能只在弹指之间,必须是长久的、稳定的,所以我们大胆设想,降低温度使电阻为零,那么消耗的能量也变为零,我们便能够轻易得到聚变能量。听起来很容易,但实际操作并不简单。



造出一个太阳?难难难,难于上青天!



科学家们遇到的第一个难点是超导。为了可以长久的、稳定发生聚变反应,就要实现电阻为零,要实现电阻为零,必须进行超导。什么是超导?就是把上亿度的磁笼子悬浮在-269度的这样一个圆环里面。


第二个难点是,一旦聚变发生,会产生强烈的冲击波,即使被悬浮起来,它同样与周边材料有强相互作用。所以对可控范围和时间要求务必精确到零点几毫米零点几毫秒以下,否则一旦偏心,什么都将付之一炬。


解决第一个难点,首先需要用线圈使它悬浮起来,控制它处于中心位置不偏离。其次,装置内要保持真空减少能量损失,内部一共有5层真空,类似一个超大的保温炉,这样才能实现一亿度和-269度的结合。


解决第二个难点的思路是从材料上下手。在聚变装置里面,汇集了当今世界的各种极致技术,而采用的材料,也是世界上最硬的一种合金——钨合金。在上亿度的空间里既要悬浮起来,还要同时防止冲击波,难度可见一斑。



30年孤岛苦钻研为什么中国一定要做?


东方超环


李建刚院士感叹道,从能源的需求上来说,中国比任何一个国家都更加需要能源。虽然我们没有发达国家那么雄厚的资金和研究基础,但几任国家领导人都坚持我们必须做下去。


李建刚院士最早接触到这个项目的时候,国内经济不像现在这样景气,即使在全球范围内,从事这个研究的人也很少,但在10年间,李建刚院士和他的团队还是突破了诸多难点,创造了几秒钟几百万度等离子体放电的纪录。


在九五大工程时,“人造太阳”这个提议在国内100多个提议中胜出。“人造太阳”计划要率先在全世界实现一个全超导的托卡马克——东方超环。保证它能稳定持久的进行放电,中心温度比太阳内部还要高五到六倍。虽然在当时,这个计划还只是验证了实验的可行性。


只有实验可行性明显是不够的。1985年冷战时期,里根和戈尔巴乔夫共同提议要在地球上建一个人造太阳,这个提议是要验证聚变的工程可行性。经过谈判,一共有七方参加,欧盟出资45%,中国、日本、美国、韩国、印度各出资9%,总耗资100亿欧元。这是中国当时参加的最大的一个国际合作项目。


通过这个项目,现在国内的企业发展得非常好,在西安拥有了全世界技术最先进,规模最大,产量最高的超导公司,一年生产150吨线圈短样,可用于满足航母起落架的需求。在山西,太钢钢铁集团现在能年产15000吨的耐强辐射不锈钢材料。虽然现在离聚变实现还有一段距离,但通过国际合作,中间过程的这些技术都能很好地应用于国民经济当中。



未来中国的聚变到底怎么做?60年内实现商用



聚变到底什么时候能实现?


李建刚院士表示,希望在十年之后建造中国自己的工程堆来演示发电,在50年到60年间能够商用化。目前已经有了初步的聚变堆设计图,它外表看起来像一只大鹏,象征着人类追求聚变的梦想,也象征着中华民族腾飞的梦想。经过今后二三十年的努力,这个中国制造的人造太阳将会冉冉升起。


李建刚院士提起,自己在上大学的时候便拥有这样一个梦想,那就是在他有生之年造出一个人造太阳。


“美国、欧洲、日本,他们都是发达国家,它们被过去文明的光芒所照耀,但这个世界上还有很多地方是黑暗沉寂的。作为一个中国人,我希望人造太阳最好而且必须建在中国,不仅为我们国家提供长期发展的能源,还要照亮世界上其他没有被文明照亮的地方!”


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