從利用太陽到「人造太陽」:極簡核能發展史

2020-12-06 逸史雜談菌

7月28日,「人造太陽」國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃重大工程安裝啟動儀式在法國南部卡達拉舍舉行。

這個項目總成本預計128億歐元,堪稱本世紀最雄心勃勃的能源科技合作項目。而參與的中國的企業和科研人員,也為這一項目的順利推進貢獻出了自己的力量。

「人造太陽」是可控核聚變裝置的俗稱。在「可控核能」技術出現之前,人類早就開始利用核能了,一直可以追溯到人類誕生之初。

雖然那時候……大家還不太清楚「核能」是個啥玩意。

不信?請抬頭看看太陽。地球生物圈利用的太陽能,都來太陽內部的核反應區。

什麼是核能

核能,也叫原子能。是通過核反應從原子核釋放的能量。

核反應還不止一種:

較重的原子核分裂釋放能量的反應,叫核裂變。這種核反應,是原子彈、核能發電站的能量來源。

較輕的原子核聚合在一起釋放能量的反應,叫核聚變。這種核反應,是氫彈、太陽內部,以及「人造太陽」的能量來源。

還有一種原子核自發衰變釋放能量的反應,叫核衰變。這種核反應的過程中,原子核自發射出某種粒子,也就是有「放射性」。

總之,一種原子核通過「聚變」、「裂變」或是「衰變」的方式,變成另一種原子核,同時釋放大量能量。

大量能量是多大量啊?

一塊手機大小的核燃料爆炸的能量,抵得上3000萬噸煤,或者2萬噸TNT炸藥。

早知道這玩意這麼厲害,當年普羅米修斯還上天盜什麼火啊,偷點核能技術回來多好。

發現原子

說好的火呢?啥玩意,你說原子能比火厲害一百倍?誰是原子啊?看不見?裡面還有個核?你才是原子組成的,你全家都是原子組成的!騙誰呢,打他丫的!

普羅米修斯,卒。

科學發展不到位,普羅米修斯就算偷回來核能技術,大家也看不懂啊。

原子論思想,在公元前就出現了。古希臘哲學家德謨克立特認為,萬物的本原是原子和虛空。原子是不可再分的最小物質微粒,虛空是原子運動的場所。萬事萬物的組成基礎,都是原子。

說的再好聽,這也不過是一種哲學學說,無法驗證。

19世紀,英國化學家道爾頓提出了化學原子論,還找到了測量原子量的方法。雖然原子看不見,但可以通過其他辦法間接證明嘛。

1869年,俄國科學家門捷列夫發表了第一代元素周期表。一開始他沒少被群嘲,但當人們一個一個發現了周期表預言的新元素之後……我們的考試,又增加了不少考點。

後來,人們對於原子的認識,又有了新突破:

原子,可以繼續分割。

在化學反應中,原子是不可再分的基本微粒,但物理狀態下,還可以再分呀。

實驗證明,原子會附著在通電溶液的正負兩極,說明原子帶電荷。而且,電荷有固定的單位。物理學家湯姆森把這種電荷單位,叫做電子。

原子裡還有什麼奧秘呢?

20世紀初,原子又帶來了新驚喜:放射性。

放射性物質

1895年,物理學家倫琴做實驗的時候,發現一些膠片偷偷摸摸曝光了。

這些膠片用黑紙覆蓋,還放在了電子射線達不到的地方。到底是怎麼曝光的呢?倫琴實在好奇,忍不住研究了一下。他發現,這種射線可以穿過實心的物體,比如人手。

倫琴給這種射線取名:X射線。作為試驗品,他的老婆有幸成為史上第一個照X射線片的人。

不過,很久之後人們才發現,過量的輻射對人體有害,比如導致白血病。

而法國的一對夫妻,也因為類似的研究,成為長期佔據教科書的人物:居裡夫婦。

在提純鈾的過程中,他們發現了新元素釙和鐳。它們都有放射性。

這些新發現,引發了科學家們持續的深入研究,而且逐漸應用到了醫療、年代測定等領域。

天然的放射性元素很少,有沒有可能人為製造呢?人們能否製造出可控的核反應呢?

原子彈

20世紀30年代末,隨著對放射性元素的持續研究,科學家已經發現了人為製造核裂變炸彈的方法。

難點在於,如何控制它。因為裂變帶來的鏈式反應威力太過巨大了。

在二戰爆發的背景下,各國達成共識:原子彈不能讓對手先研製成功。

1942年6月,美國開始實施利用核裂變反應來研製原子彈的「曼哈頓計劃」。1945年7月16日成功地進行了世界上第一次核爆炸。

試爆成功後,「原子彈之父」,曼哈頓計劃的領導者奧本海默想到了印度經典《摩訶婆羅多》中的一句話:

「漫天奇光異彩,猶如聖靈逞威,祇有千隻太陽,始能與它爭輝。」

還有《薄伽梵歌》中的另一句話:

「現在,我成了死神,成了可以摧毀世界的人。」

試爆成功20天後,1945年8月6日,原子彈「小男孩」在日本廣島爆炸;1945年8月9日,原子彈「胖子」被投放至長崎市中心。

摧毀了數十萬人的世界。

核能的未來

1964年,中國第一顆原子彈爆炸成功;1967年,中國第一顆氫彈爆炸成功。二者區別在於,原子彈是裂變武器,而氫彈是聚變武器。

20世紀80年代中期,我國開始建設核電站。1985年,中國自行設計、建造和運營管理的第一座核電站秦山核電站開工,1994年商業運行。我國成為全球第7個能自行設計建造核電機組的國家。

如今,人們擁有核武器,也見證了使用核武器的後果;用上了核能發電,也曾經歷過核洩漏的事故。

核電站利用的,是核裂變的能量。裂變反應的廢料具有很高的放射性,需要幾百上千年的安全儲存。這也引發了人們對於洩露事故的擔憂。

相比之下,核聚變過程中雖然也會產生放射性,但不會直接產生核廢料,相比核裂變要更加安全。

人們能否利用可控核聚變呢?

「人造太陽」項目正是對於可控核聚變的探索。

要產生核聚變,對於溫度的要求極高。太陽內部的核聚變,溫度達到1500萬℃,而人類想要在地球上利用核聚變,對溫度要求比太陽大得多,需要達到1億℃以上。因為地球上無法提供太陽內部的巨大壓力,需要用更高的溫度來彌補。

這樣的項目,對於任何一個國家來說都是難題。因此,2006年,中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國共七方籤署了ITER計劃的《聯合實施協議》,計劃在法國共同建造一個世界上最大的超導託卡馬克實驗反應堆。

一旦掌握可控核聚變技術,人類可以說是實現了「能源自由」。核聚變燃料氘在地球上的儲量十分豐富,科學家認為可供地球使用上百億年。

如果「人造太陽」實現最終目標,那麼只需要250千克的氘和氚(氫的兩種同位素),就可以提供燃煤發電站大約275萬噸煤所提供的能量。

當然,安全性仍然是大家關注的重要問題。同時,對於其他可能實現的聚變方法,如冷聚變等,也正在研究當中。

對於未來的能源解決方案,人們從未停止探索。

小結

人類不是「發明」了技術,而是「發現」了技術。

無論人類是否發現、是否利用核能,都無法將「核反應」從世界上抹去。我們該思考的,是如何和平使用核能,如何安全控制核能。

我們不知道什麼時候才能看到真正的「人造太陽」,或許還需要幾十年,甚至更久。世界各地的科研人員,都在不懈努力。

對此,中國工程院院士李建剛堅信:「在我的有生之年,一定有一盞燈能被聚變之能點亮。這一盞燈,一定要,也只能在中國。」

P.S. 篇幅有限,只能簡要介紹一下核能的發展歷程。對歷史文化感興趣的小夥伴可以關注雜談菌,咱們慢慢詳聊呀~

參考資料:

《耶魯極簡科學史》威廉·拜納姆

《BBC世界史》安德魯·瑪爾

《科學的歷程》吳國盛

《你一定愛讀的極簡未來史》克里斯多福·巴納特

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