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为什么要人造太阳?

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[LV.Master]伴坛终老

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发表于 2020-4-3 16:07:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
文章来自微信公众号:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:李建刚

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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
近日,我国大科学装置“东方超环”取得重大突破,等离子体中心电子温度首次实现1亿摄氏度运行近10秒。“东方超环”是我国自主设计研制的磁约束核聚变实验装置,也被称为“人造太阳”,因为它的目标就是像太阳一样发生核聚变为人类提供能源。

与2018年首次实现1亿度温度相比,这次的创举实际上是将1亿度维持了近10秒,是东方超环取得的重大突破。如果能较长时间维持1亿度的高温,那人类距离解决核聚变商业化应用真的就不远了。“人造太阳”究竟怎么造?听中国工程院院士李建刚讲述34年“追逐太阳”之路。
人造太阳,受控的核聚变装置

大家都知道太阳,但什么是人造太阳?看过钢铁侠的人都知道,钢铁侠里面有一个人造太阳叫托卡马克,像一个磁线圈一样。如果把气体加热到上亿度,它就会发生聚变,可以像太阳一样发出巨大的能量。

如果是现实版的托卡马克的话,中国有两个人造太阳,一个在合肥,另一个在成都,分别叫合肥超环和中国的环流器1号。

太阳为人类产生了很多光和热,万物生长靠太阳。我们想要实现聚变,一个不可控因素就是氢弹。氢弹不能轻易地爆炸,要用原子弹去把它点一下,点到上亿度以后才有可能发生爆炸。

为什么要人造一个太阳?

那么怎样能够实现人造太阳?要把上亿度的温度装到任何容器上都会顷刻之间烟消云灭。于是科学家就想了一个办法:把一团火球——上亿度的等离子体,用磁的方法把它悬浮起来,跟周边的任何容器材料不接触,这个时候就可以把它加热、控制,进而造出太阳。它的模样就像你们吃的甜圈圈。

用这些非常复杂的仪器把上亿度的东西放在中间持续地加热,讲讲很容易,但实际操作非常难。

首先我们需要巨大的磁场,这个磁场要比地球南北级的磁场高两万倍以上,磁场越强越容易收得住。人类之所以没有遭到来自太阳风这种粒子的损害,主要就是靠磁场把这种带电粒子无形之间屏蔽起来。

所以现在要做的就是产生比地球高上万倍的磁场,让这团气体悬浮起来。用的燃料是什么?是海水里面氢的同位素——氘和氚。海水里面的氘有多少呢?它可以让一千个电站使用上百亿年,也就是说该资源是无限的。如果用爱因斯坦的公式计算的话,一杯水里面产生的氘和氚是E=mc2 ,相当于300公升汽油。

它的好处在哪里?首先它没有高放的废料,而我们现在用的裂变电站都是化石燃料,尤其是235,238。一旦发生事故,就会有长达上百万年的放射性废料。

聚变的产物是什么?就是能源中子和氦气。氦气是非常清洁的,当年习总书记实地参观时就问:为什么说聚变是固有的安全性?那时候距离福岛发生核事故刚刚一个月。

它导致事故的概率非常小,只有同时碰到地震和海啸才有可能发生,或许上万年才会出现一次。但现实中最有可能发生的不是这个,而是恐怖分子——可能恐怖分子开个飞机就把它炸了,但聚变电站不怕,因为它聚变的产物就是氦气,只要一停机就没有了。

总结一下,作为资源来讲,它是无限的同时又是清洁的,所以长期以来被科学家认为是未来人类终极能源之一,可以大规模生产。未来可能有20%的可再生能源,但最大规模的一块,即80%一定是靠聚变来维持的。

这个太阳怎么造?
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一个一百万千瓦的电站,上海一年大约只需要两个。聚变电站需要多少东西呢?一年一个电站只需要一百公斤的重水和锂;如果换成煤电站的话,一个一百万千瓦的电站需要50万吨煤;如果是核电站的话就需要30吨。

这就是聚变电站的原理。首先你要有磁笼子,用它形成一个等离子体,再用非常高的温度把它加热到上亿度,加热到上亿度以后就会产生氦和中子,中子就跑到包层材料里进行加热。加热以后,我们通过水把它转换成蒸汽,再通过蒸汽把电给发出去。这就是一个简单的聚变发电原理。

人类在这个方向一共做了50年,进展还是挺大的。我们知道,计算机每1.8年CPU的速度翻一倍,而聚变的发展速度基本上能做到跟它一样快,甚至比它快两个月,差不多16个~17个月左右的时间,它的综合参数也能够翻一倍。

聚变最大的问题就是离实现还很遥远,没有像计算机这样家喻户晓。但可以说,聚变在过去50年中已经发展得非常非常快了。几个代表性的成就是在一些发达国家,像美国、欧洲和日本,他们在一些大装置上都同时实现了可控的核聚变。

什么叫可控的?就是跟人没有关系。科学就是可重复,不管是谁去做都是同样的结果,跟仪器没有关系。只要是一样的仪器,美国的人造太阳、欧洲的人造太阳还有日本的人造太阳,结果都是一样地可重复,这就是科学。

我国做到了输出的能量和输入的能量之比等于1.25,即已经有了净输入。这是什么意思?就是说从科学上已经验证了这是可行的,但是工程上可不可行还不知道。

我们产生的磁笼子是用常规铜线做的,消耗了大量的能量。怎么才能不消耗能量呢?如果把温度降下来,一旦电阻等于0的话,消耗的能量顷刻之间就降到0,那么我们就非常容易地拿到了聚变能量。

说起来容易做起来难。我国很多年前就开始做聚变了。托卡马克不是中国人的发明,是苏联人的发明,他们概在1989年的时候有意把一套马克装置送给中国。当时我们所长说这是一个很好的机会,因为当时我们啥都不会。于是就用400万人民币的羽绒、瓷器、中国家具换来了一个1800万卢布的装置。

当时这个装置还是比较好的。为什么?因为在那时候,一个卢布相当于3.6美元,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,应该说还不错。其他国家在这个装置上面都只能做几秒钟高温,而我们最多能做到60秒钟一千万度,因此成为了全国的十大新闻。

但是这还不行,还不能够做到所有线圈的电阻都等于0,这时候我们就要做超导。什么叫超导呢?就是要把上亿度磁笼子的一团火球悬浮在-269℃的圈子里面。想想看,等于说有两个极端,一个温度在108K以上——一亿度以上,另一个温度是非常冷的,4K,也就是零下269℃。这个是非常难的。

其次,一旦发生聚变的时候——比如氢弹爆炸,只要它发生爆炸的时候就会有强烈的冲击波,它跟周边材料(就是悬浮起来的也不行)发生强相互作用,所以控制要非常精确,精确到零点几个毫米和零点几个毫秒以下,否则只要一偏心,它就碰到什么烧什么。

这件事真是难,难于上青天。为什么?因为美国人在60年代已经上了天、登了月,但是他们到现在也没有做出一个能够真正发电的人造太阳。

从能源的需求来讲,中国比任何一个国家都需要能源。尽管我们相比来说很穷,但是我国几任国家领导人都觉得这件事中国人一定要做。90年代初我们提出这个想法,在全世界率先做一个全超导的托卡马克叫东方超环,能够长时间地做到上亿度,比太阳心部的温度还要高五六倍!

在九五的大工程的国内一百多个提议中,该提议终于胜出,然后我们就开始做这样的装置。做这个装置,第一就是要解决上亿度和零下269度的矛盾。江泽民同志到我们所里去的时候,他也问了这么一个问题。

解决上亿度和零下269度,很多技术必须要用在一起。首先,真正的上亿度的高温要用磁场把它悬浮起来,就是超导,上面全部是线圈。悬浮在中间以后,等离子那里有个火球——蜘蛛侠那个球,温度越高它越要到处跑。比如太阳,因为温度高,所以太阳黑子来了。跑的过程中一定要想办法控制住,让它一定悬浮在中间,不能够上下跑。在不乱跑的情况下,才不会把材料烧坏。

除此之外,能量的损失靠传导、对流和辐射。最小辐射损失就是全部用真空,用五层真空实现了一亿度和零下269度的结合。

在此之前全世界没有人做过,因此所有的东西都需要我们自己做。当时国内的经济不像现在这么好,万元熙院士带领整个团队做了整整十年,突破了很多难点,终于在2006年得到了等离子体,大概几百万度,但是它只有几秒钟时间。

我们想要实现的目标不只是几百万度几秒钟,我们想做得更长。难度在哪里?材料!做聚变,几乎都要用到当今地球上所有材料、技术的极致。比如说,其中要采取的材料是一种最硬的合金——钨合金。在这个空间里,我们要加上上亿的温度让它悬起来,同时还要防止冲击波。只要有冲击波的强放射,就要赶快把它拿走、抽走。这里用的大抽速是零下269度的低温棒。

中国聚变之路
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有了装置以后,我们就觉得应该去做一个更大的事情——验证工程的可行性。

大约在1985年,尽管是冷战的时候,里根和戈尔巴乔夫也谈了一件象征着人类美好前景的事情——在地球上建一个人造太阳。这个人造太阳是50万千瓦,跟现在的发电站差不多。

谈判确定一共有七方参加,欧盟占最大一块45%,其他的六方——中国、日本、美国、韩国、印度各占9%,共出资100亿欧元,要在法国Cadarache(卡达拉舍)建世界第一个真正意义上的人造太阳,叫国际热核聚变实验堆ITER。

它要运行20年,即需要能够在大规模的、几十万千瓦的基础上运行很长时间。这就是要验证聚变的工程可行性。到底规模有没有这么大,这么大的规模以后行不行?这里牵扯到特别多的技术。这是中国参加的一个最大的国际合作项目,价钱是100亿欧元,其中中国占9%,也是9亿欧元,这是一个很大的数字。

首先它要形成的磁笼一共有18段,像橘子瓣一样。这是什么概念?波音747重量370吨,这一个线圈在360吨左右;价钱也是差不多的,波音747是2.6亿美元,这大概是2.8亿欧元。

我们国家在参加ITER之前是生产短样的。绕这么一个线圈,里面要将近十万米导线,重150吨。我们国家在参加这个国际合作之前,四十年之间只产生了36公斤短样。

ITER使得国内的企业发展得非常好,已经形成了全世界最先进的技术,规模和产量也是最大的。西安的有色金属研究院、西部超导公司现在一年可以生产150吨;除此之外,国内的核磁共振、GE的所有线几乎超过一半都是ITER的材料在供应;还有我国航母的歼15的起落架,飞机落地的一刹那冲击力非常大,所以对材料的要求非常之高,用ITER上面的材料终于解决了航母的起落架的问题。这是第一个例子。
第二个例子。刚才说的上亿度的东西的第一层屏蔽叫核导,长得像多脚的怪兽一样。它有多重?一百年前的埃菲尔铁塔是7300吨,而这个有8000吨,所以这个材料要难得多。这是一种特殊的不锈钢,它首先要降到零下269度,同时它要耐强辐射,我们国家在参加ITER之前从来没有生产过。参加ITER之后,通过跟国际合作,山西太钢现在可以年产15000吨,得到了很大的发展。

尽管聚变能离我们还是很遥远,但是通过国际合作,中间产生的过程和技术都能够非常好地用在国民经济上。

未来中国的聚变到底怎么做?60年内实现商用

未来中国的聚变到底怎么做?咱们的聚变到底什么时候才能实现?

我们现在正在做实验装置、参加ITER,但是希望十年以后能建造中国自己的工程堆,这样才能够验证发电。有了这个东西以后,在50年到60年之间就能商用化。

这是我们设计的中国工程聚变堆,里面有一个主机装置。这个设计象征着大鹏展翅腾飞,象征着人类追求聚变的梦想,象征中华民族腾飞的梦想。

经过二三十年的努力,真正的人造太阳会冉冉升起,对中国来讲,聚变的需求比任何一个国家都急迫。

1982年我到了合肥的一座非常偏僻的岛上——董铺岛,一做就是34年。非常有幸,作为一个中国的科学家,每一任领导都到过现场,这给了我们很高的鼓励,也包括俄罗斯的总理,他们都说过同样一句话——中国需要能源,中国一定要在人类实现这种聚变的路上起到不可取代的作用。
50年前,人类就有个梦想——希望实现人造太阳。上大学的时候,我也有这个梦想。我希望在有生之年能够做出人造太阳,让没有被文明照亮的地方被聚变能点亮。

作为一个中国人,我希望第一个聚变电站是最好的,而且必须要建在中国。




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我竟然认真的看完了,大概意思看懂了。。。
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我觉得搞这么一个工程,可以带动一些学科的研究,促进一些学科发展。
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