同為核聚變反應,為什麼中國「人造太陽」成不了另一個太陽?

2020-12-25 悟空科學

為什麼大家對剛在成都建成的「中國人造太陽」這麼感興趣?相信一定是因為中國和太陽這幾個字,一方面想了解這個東西是不是領先全球的尖端科技,另一方面也想知道,它是不是和掛在天上的太陽一樣會對所有人造成影響。那麼,這個在本月初實現首次放電的大型裝置到底是何物?真的可以拿來升溫嗎?

人造太陽是俗稱:

沒錯,人造太陽不是真正的名字,而是一個俗稱,就好比一個人的小名,而人造太陽本來的名字叫做國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)。簡單點說,大家很關心的這個人造太陽其實就是一個ITER裝置,而這個超導託卡馬克最大的本事就是可以產生大規模的核聚變反應,太陽便是通過核聚變的方式向周圍宇宙空間釋放光和熱。

如果拋開複雜的原理不說,ITER其實就是把高溫等離子約束在一個「磁籠子」裡面,然後形成聚變功率達到50萬千瓦、且能夠持續500秒的聚變能。只不過這個「磁籠子」的體積早被設定為837立方米,而那些高溫等離子體則有溫度達到上億度的氘氚構成。

可能一般人對50萬千瓦熱功率沒有什麼清晰的概念,其實,這就好比一個小型熱電站能做到的水平,而人類需要的就是這種持續性的受控聚變能。在12月4號的時候,新一代人造太陽裝置,準確來說就是中國環流器二號M裝置(HL-2M),便在其建成地成都實現了首次放電。

這意味著:我國終於將大型先進託卡馬克裝置的關鍵技術掌握在自己手裡,從設計和建造到運行技術的成功實施,這也都為我國未來更先進的核聚變堆技術打下了基礎。而這個結構和控制都更先進的中國環流器二號M裝置,已然成為我國目前為止參數最高、且規模最大的託卡馬克裝置,包括等離子體體積、等離子電流能力、等離子體溫度的提高。

中國人造太陽的真本事是什麼?

不可否認,我國的核聚變研究起步時間相對較晚,早在上個世紀60年代,前蘇聯的科學家就證明氘氚會因為雷射而發生巨變,而2009年耗資35億美元的美國國家點火裝置又讓人們看到實現雷射核聚變的希望,至此,人類如何獲得可一直使用的清潔能源便成了很多科學家研究的主題。

ITER計劃從談判到批准就經歷了三年多時間,而該計劃的實施也需要亞洲主要國家和核國家意義達成一致(如韓國、俄羅斯、印度、美國、歐盟和日本等),也就是至少需要一半以上的人同意才能定下來。這個時候,可能有人會說為什麼需要這麼多國家同意竟然還順利實施了?

其實,我國參與的這個ITER計劃,主要針對的能源長遠的問題,目的是為了解決大家目前面臨的環境問題和能源問題,這很可能是人類實現可持續發展的主要途徑之一。眾所周知,地球上的很多資源都不是取之不盡用之不竭,比如不可再生能源與常規清潔能源,它們都不具備聚變能不汙染環境、資源無線和不會產生高放射性核廢料的優勢,它無安全可能稱為未來人類主要能源形式中的一種。

同為核聚變,為什麼人造太陽無法成為另一個太陽?

實際上,太陽大概佔據了整個太陽系質量的99.86%,太陽是地球的母恆星,地球上的生命都接收著太陽散發出的光和熱。為什麼太陽燃燒無法用水澆滅?不過是因為太陽發光發熱的原理是核聚變,而不是具備所謂的燃燒三要素。

太陽的體積相當於地球體積的130萬倍,質量高達2×10千克,從其物質構成上來說,大概有四分之三的部分都是氫,而太陽核聚變的基礎就是氫。

太陽本質上就是一顆黃矮星,從此類恆星的演化來說,它們的壽命大概在100億年左右,目前還不到46億歲的太陽相當於人類的青壯年,正處於整個生命周期中相對最穩定的時期。但是,這一切都會隨著氫元素逐漸耗盡而發生改變,而氫元素徹底消耗完的時候,便是太陽的核心開始坍縮之時。

不管過去多少年,人類社會文明發到什麼程度,我們都不可能製造出太陽的替代物,而我們如今做的努力,其實都是為了讓地球可以更長時間容納人類生存,因為想要尋找到、並成功遷移到另一個適合生命居住的星球,其難度遠大過現在我們正在做的事。

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  • 為什麼氫彈一點就炸,太陽的核聚變卻如此穩定?
    也正是因為如此,太陽的燃料看似無窮無盡,燃燒了幾十億年,也仍然非常耀眼。 氫彈 氫彈就是人類所實現的不可控的核聚變,因此從本質上來書點燃氫彈的過程就是一個核聚變的過程。氫彈主要利用的是氘和氚(氫的同位素)來實現核聚變並且釋放能量。
  • 同樣是核聚變反應,為什麼太陽沒有像氫彈那樣一下子全炸了?
    氫彈也屬於核武器的一種,它主要是利用氫的核聚變反應形成爆炸的一種殺傷性武器。而太陽的燃燒同樣是由核聚變反應所引起的,四個氫原子核通過核聚變反應產生一個質量更重的氦原子核,從而釋放出大量的能量以此來維持太陽的燃燒。那麼,為何太陽內部發生核聚變反應時沒有像氫彈那樣一下子全炸了呢?首先,我們來了解一下核聚變反應。
  • 太陽核聚變只要1500萬度,可控核聚變卻要1億度,這是什麼原因?
    稍懂科學常識的人都知道,太陽一直是依靠核聚變源源不斷的產生著巨大能量,我們才能夠得到它的光和熱。太陽中心溫度只有1500萬℃,就可以維持源源不斷的核聚變。可一些科學報導總說,現在正在試驗的可控核聚變溫度達到了1億℃,這又是為什麼呢?為什麼不可以像太陽那樣,用較低溫度實現可控核聚變,這樣不是容易很多嗎?
  • 太陽是什麼物質組成的?為什麼會自發產生核聚變反應呢?
    構成太陽的物質並不特殊,佔太陽總質量大約98.2%是氫元素和氦元素(其中以氫元素為主,佔71%左右),而剩下的不到2%的質量,是由氧、碳、鐵、氖、氮、矽、鎂等等元素組成。並且太陽上的物質形態幾乎都是以等離子態出現,這是一種區別於常見的固液氣三態之外的另一態,在宇宙中廣泛存在。而太陽的能量來源,題目中已經提到,是核聚變,那麼這個核聚變又是為何而起呢?為什麼地球、火星、木星等等八星行星不會自發啟動核聚變呢?
  • 新一代「人造太陽」反超美國,中國會不會率先實現可控核聚變?
    不知道你們那裡近來有沒有「拉閘限電」?這情況似乎不少地方都有「遭遇」過。很多小夥伴就納悶了:現在我們已經有火力、水力、風力、太陽能、化學能等等能源了,可是電為什麼還是不夠用呀?真是讓人著急!這個時候可能大家對「可控核聚變」這個解決人類終極能源的辦法,又開始心心念念了。
  • 中國又點亮一個「人造太陽」
    不過,核聚變發電遲遲未能實現,不代表人類在這條科學之路上一無所獲,尤其不代表中國在這方面一無所獲。12月4日,離「奮鬥者」號深潛器下馬裡亞納海溝「捉鱉」沒過多久,大多數人的目光還盯著嫦娥五號「上九天攬月」,中國的「人造太陽」就不聲不響又取得了突破——新一代「人造太陽」裝置——中國環流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成並實現首次放電。
  • 我們已經有了一個太陽,為什麼還要再造一個?
    那麼,究竟什麼是「人造太陽」?中國環流器二號M裝置實現了哪些技術突破和自主創新?中國之聲獨家專訪了中核集團核工業西南物理研究院聚變科學所副所長鍾武律。為什麼我們還需要第二個太陽?俗話說,萬物生長靠太陽,太陽的核心溫度大概在1500萬度—2000萬度,而地球上的金屬材料在1000度左右就會融化。
  • 中國新一代「人造太陽」建成,它能帶來什麼?
    2020 年 12 月 4 日,中國環流器二號 M 裝置(HL-2M)在成都正式建成,並實現了首次放電。HL-2M 是中國目前規模最大、參數最高的先進託卡馬克裝置。它的建成,標誌著中國掌握了大型先進託卡馬克裝置的設計、建造和運行技術,為中國核聚變堆的自主設計和建造,打下了堅實的基礎。
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