
也許有的朋友會(huì )問(wèn),這個(gè) 403 秒意味著(zhù)什么?這個(gè) 403 秒意味著(zhù),人類(lèi)距離利用可控核聚變產(chǎn)生能量又近了一步,可能可控核聚變發(fā)電很快就會(huì )成為現實(shí)。
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要回答這個(gè)問(wèn)題,首先要了解什么是核聚變。核聚變就是兩個(gè)質(zhì)量較輕的原子合二為一,同時(shí)釋放大量能量的過(guò)程。太陽(yáng)和其他恒星就是通過(guò)核聚變來(lái)發(fā)光放熱的。如果我們能在地球上“復制”這一過(guò)程,將產(chǎn)出大量能量。這是我們需要核聚變的第一個(gè)原因。
太陽(yáng)是距離地球最近的天然核聚變反應堆。在太陽(yáng)內部,擁有大約 1500 萬(wàn)℃的溫度,大到超乎想象的壓力和密度。在這樣的條件下,核聚變反應持續發(fā)生。
氣候變化和能源安全也促使人們轉變了觀(guān)念,開(kāi)始接受核聚變。對于氣候變化來(lái)說(shuō),核聚變能提供豐富的清潔能源。同火力發(fā)電等發(fā)電模式相比,幾乎沒(méi)有溫室氣體的排放。核聚變還可以和太陽(yáng)能、風(fēng)能等其他可再生能源聯(lián)合使用。至于在能源安全方面,隨著(zhù)全球能源需求的急劇增長(cháng),一旦化石能源枯竭,就必須依靠核聚變能源了。
其實(shí),我們利用核能不是最近的事,現在世界各地運行的核電站正是通過(guò)核裂變來(lái)發(fā)電的。不過(guò),相較于核聚變,核裂變存在安全問(wèn)題、核廢料處理問(wèn)題,以及核原料的取材問(wèn)題。因此,科學(xué)家都把關(guān)注點(diǎn)轉移到了核聚變上來(lái)。
為什么可控核聚變難以實(shí)現?
現在我們已經(jīng)知道,核聚變發(fā)生的條件是像太陽(yáng)內部那樣的極端高溫、高壓、高密度。可是,人造的核聚變反應堆無(wú)法復制這樣的壓力和密度條件。比如,在 JET(歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應堆)的內部,氣體的密度和反應堆外的普通大氣差不多。那么,要想實(shí)現核聚變反應,反應堆內的溫度就得超過(guò) 1 億℃。在這樣的溫度條件下,氣體會(huì )變成等離子體。這時(shí),可以用磁場(chǎng)來(lái)約束它們。
因為任何一種材料一旦觸碰到溫度超過(guò) 1 億℃的等離子體,都會(huì )熔毀,所以只能通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)約束等離子體。同時(shí),磁場(chǎng)還能使等離子體加速流動(dòng),為核聚變創(chuàng )造條件。可見(jiàn),在核聚變反應堆中,磁場(chǎng)很重要。這次 EAST 創(chuàng )造的新世界紀錄就是關(guān)于磁場(chǎng)約束等離子體,從而穩定運行的。這是利用可控核聚變產(chǎn)生能源的關(guān)鍵。
此外,現階段的核聚變發(fā)電還存在“投入產(chǎn)出比”不協(xié)調的問(wèn)題:反應堆雖然能產(chǎn)出大量能量,但滿(mǎn)足自身運轉需要投入更多能量。為了解決這個(gè)問(wèn)題,多國聯(lián)合出資,正在法國南部建造國際熱核聚變反應堆(ITER),預計在 2025 年投入運行。在剛開(kāi)始運行的 10 年間,科學(xué)家會(huì )逐步提升反應堆的運行功率,最終讓它滿(mǎn)負荷運行。科學(xué)家估計,ITER 最終輸出的能量,將是啟動(dòng)核聚變所需能量的 10 倍以上。
新的嘗試
近年,科學(xué)家和私營(yíng)企業(yè)為了盡早實(shí)現可控核聚變,采取了一些新的嘗試。
在托卡馬克裝置中,磁場(chǎng)強度越強,對等離子體的約束就越強,這樣反應堆就可以設計得更小。英國托卡馬克能源公司和其他幾家實(shí)驗室合作,研發(fā)出了一種叫作高溫超導磁體的設備,這些磁體能產(chǎn)生強力磁場(chǎng),強度可達地球磁場(chǎng)強度的 100 萬(wàn)倍。通過(guò)這種磁體,托卡馬克能源公司利用一座小型反應堆,讓等離子體的溫度升到了約 1 億℃。
啟動(dòng)核聚變反應有幾種不同的方法。除了在托卡馬克裝置中讓等離子體加速旋轉外,還有一種方法叫慣性聚變 —— 核燃料液滴會(huì )被擠壓,這樣溫度和密度就會(huì )變大,達到核聚變的條件。美國的 First Light Fusion 公司,通過(guò)射擊實(shí)現了擠壓 —— 子彈會(huì )從一支超高速槍中射出,擊中含有核燃料的目標。子彈擊中目標后,能讓核燃料以每秒 70 千米的速度發(fā)生內爆,引發(fā)核聚變,釋放能量。
一旦核聚變反應堆投入運行,人類(lèi)就不能進(jìn)入反應堆了。因為氘-氚核聚變反應會(huì )釋放大量中子和能量,產(chǎn)生強烈的短時(shí)輻射,對人體有害。所以,需要機器人代替人類(lèi)完成某些工作。為此,科學(xué)家和工程師研發(fā)了機械臂,代替人類(lèi)的工作。比如,RACE 機構研發(fā)的巨大機械臂 MASCOT。
如果把人工智能技術(shù)融入機器人,機器人會(huì )更敏捷、更自動(dòng)化。擁有了更先進(jìn)的人工智能技術(shù),核聚變反應堆的控制系統或許就可以根據等離子體狀態(tài)的快速變化隨時(shí)做出調整,這樣就能讓核聚變反應盡可能維持在最高效率。