半個世紀的「人造太陽」夢逐步實現,永久解決能源問題還要多久?

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 07 日 0:00 | 分類 核能 , 能源科技 Telegram share ! follow us in feedly


當我們越來越離不開能源時,「人造太陽」想法便誕生了──如今 45.7 億歲的太陽不斷以核融合釋放光和熱,如果核融合可控,將成為未來世界的能量來源,永久解決人類的能源與環境問題。

那麼,只要設計出巨型裝置產生核融合反應,是不是就能製造第二個太陽了?

為了解答此問題,各國政府、科學家、商業公司都參與,「人造太陽」的夢想也逐步實現。

甜甜圈的巨大能量

所謂核融合,原理就是核外電子在極高溫度和壓力下擺脫原子核的束縛,使兩個原子核互相吸引碰撞融合,形成質量更重的原子核;​​同時中子也逃離原子核的束縛,放出巨大的能量。

為了進行此核反應,蘇聯科學家設計了一種特殊裝置──「托卡馬克」(Tokamak)。

二戰末期,蘇、美、英等國都在進行核融合研究,旨在用於軍事目的。20 世紀 1950 年代,蘇聯庫爾恰托夫研究所的科研團隊發明利用磁局限融合做到受控核融和的環形容器托卡馬克。

裝置的主要特徵其實不難從名稱看出──Tokamak 由環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、線圈(kotushka)四個單詞組合而成。

托卡馬克的核心是個真空區,形狀類似甜甜圈。

要進行核融合,科學家要先做一些準備工作。先抽出真空室的空氣和雜質,接著充電可限制、控制電漿的磁體系統,並引入氣態燃料。

受極高溫度、壓力影響,真空區的氣態氫燃料會電分解,電離並形成電漿。當電漿粒子被觸發並碰撞時溫度升高,達到熔融溫度(攝氏 1.5 億至 3 億度)。達到這種程度後,粒子便能克服碰撞時的自然電磁排斥力而融合,釋放大量能量。

(Source:SELF 格致論道講壇)

1968 年 8 月,於蘇聯新西伯利亞召開的第三屆電漿物理和受控核融合研究國際會議,庫爾恰托夫研究所研究團隊的阿齊莫維齊宣布受控核融合領域研究的重大突破(電子溫度 1keV,質子溫度 0.5keV,nτ=10 的 18 次方 m-3.s)。

之後,一股托克馬克風潮掀起,各國研究院所開始自主建造或在蘇聯的基礎上改建,希望利用托卡馬克(認為是最有優勢的受控核融合裝置)進行受控核融合研究,包括美國普林斯頓大學、美國橡樹嶺國家實驗室、法國馮克奈─奧─羅茲研究所、英國卡拉姆實驗室、西德馬克斯─普朗克研究所等。

七國一起做太陽

如上文所述,研究核融合不僅是科學家的事,也涉及政治因素。

1985 年,儘管還在冷戰期,美國總統雷根和前蘇聯總統戈巴契夫仍在某次首腦會議,倡議一項國際核融合研究合作。

同年,在國際原子能機構(IAEA)主持下,「國際熱核融合實驗堆」(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)計畫創立。

1987 年,國際原子能機構總幹事邀請歐共體、日、美、加、蘇聯等國的代表共同探討並達成協議合作建造。次年,研究設計工作正式開始。

本質上,ITER 是能產生大規模核融合反應的超導托克馬克,也稱為文章開頭所說的「人造太陽」。

做一顆「太陽」談何容易。一直到 13 年後的 2001 年,耗資 15 億美元的 ITER 工程設計才完成。

2006 年 5 月,經過 5 年談判,中國與歐盟、印度、日本、南韓、俄羅斯和美國共同草擬了 ITER 計畫協定。

2007 年,此國際大科學工程計畫在法國啟動,最初計畫 2016 年完成,耗資 110 億美元。然而 ITER 計畫是僅次國際空間站的國際大科學工程計畫,進展並不順利。

2020 年 4 月底,施工人員開始安裝 ITER 托卡馬克的首個主要零件。

實際上,這次疫情也影響了工程進度──施工現場的工作人員數從 2,500 人削減至 700 人。

ITER 官網指出,截至 2020 年 4 月 30 日,第一個電漿完成進度為 69.3%。

能把進度條放在官網醒目位置,可見 ITER 團隊對這專案既有期待也很焦慮。

據悉,ITER 團隊計劃在 2021 年底前將主要零件運到現場,希望 2025 年 12 月前啟動「人造太陽」,屆時,世界最大的托卡馬克裝置將問世。

中國「太陽」創世界紀錄

自 1968 年 8 月第三屆電漿物理和受控核融合研究國際會議後,中國科研力量也逐步投入托卡馬克裝置研究。

1990 年,中國國家科學院等離子所開始組織興建大型超導托卡馬克裝置,當時也受俄、美、歐盟等地專家大力支援。

1993 年,中國建成 HT-7,成為繼俄、法、日(分別為 Tore-Supra、T-15、JT-60U)後,第四個擁有同類大型裝置的國家。

HT-7 源自蘇聯方面贈送給中國的 T-7 裝置,不過 T-7 裝置原本不具物理實驗功能。經過改造,HT-7 才能啟動多種實驗。

在 HT-7 的基礎上,1998 年大型非圓截面全超導托卡馬克核融合實驗裝置 HT-7U 立案。

2003 年 10 月,HT-7U 正式改名為 EAST,即 Experimental and Advanced Superconducting Tokamak,也就是世界第一個非圓截面全超導托卡馬克,讓中國躋身可控核融合前線的「東方超環」。

2006 年,EAST 工程全面完成,兩次放電調試都獲得穩定、重複和可控的電漿。

2009 年,「東方的太陽」首輪物理放電實驗成功。

前不久,EAST 再次取得重大突破,電漿中心電子溫度首次達成攝氏 1 億度運行近 10 秒。

雖然成績卓越,不少人更關注的是如何應用。

據 SELF 格致論道講壇報導,中國工程院院士、中國科學院電漿物理研究所研究員李建剛表示:

我們現在正在做實驗裝置、參加 ITER,但希望十年以後能建造中國自己的工程堆,這樣才能驗證發電。有了這個東西以後,50~60 年內就能商用化。

「人造太陽」的夢想始於半個世紀以前,如今夢想逐步走向現實,究竟可控核融合何時真正惠及人類,拭目以待。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:pixabay

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