小原子爆發大能量:人造太陽可以帶來無限能源 還能承受上億度高溫!

原標題：小原子爆發大能量：人造太陽可以帶來無限能源，還能承受上億度高溫！

　　近日，中科院合肥物質科學研究院成功研製出了「校正場線圈」，據悉，這是國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor， ITER)計劃的核心部件之一。該部件也將立即運送至ITER實驗現場，以確保實驗按計劃進行。

　　這則消息提到的ITER是目前世界上僅次於國際空間站的又一國際大科學工程計劃，世界上最大的磁約束等離子體物理學實驗。該項目在上個世紀八十年代就已經提出，該項目目前已經有35個成員，中國也是其中之一。ITER項目的裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導託卡馬克，俗稱「人造太陽」。

　　該計劃將集成當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學和技術成果，首次建造可實現大規模聚變反應的聚變實驗堆，將研究解決大量技術難題，是人類受控核聚變研究走向實用的關鍵一步，因此備受各國政府與科技界的高度重視和支持。

　　可控核聚變，人類未來能源所在。

　　核能利用包括裂變能和聚變能兩種形式。

　　核裂變又稱核分裂，是一個原子核分裂成幾個原子核的變化，不過，也不是所有原子核都可以裂變，只有一些質量非常大的原子核像鈾、釷和鈽等才能發生核裂變。

　　雖然裂變已經實現商業化(核電站)，但是由於鈾等金屬在地球上含量較少，加之裂變產生的核廢料具有很強的放射性，所以其無法作為人類未來可靠的能量來源。

　　於是，人類將目光投向了核聚變。

　　核聚變是指將兩個較輕的原子核結合而形成一個較重的核和一個極輕的核(或粒子)的一種核反應形式。在這個融合過程中，產生了質量耗損但卻能釋放出巨大的能量。氫彈爆炸和太陽能量都是通過聚變實現的。

　　氘(dāo)核與氚(chuān)核是核聚變的最佳燃料，兩者都是都是氫的同位素(同一種元素，原子核質子數相同，中子數不同)。

　　之所以說氘和氚是最佳材料，是因為氫是最輕元素，其質子的數量也是最少的。由於質子帶有正電子，所以質子越多，在原子核合併的過程中的互斥力就越大(正電荷相斥)。

　　其中氘也被稱為重氫，原子核中有1個質子和1個中子，氫中有0.02%的氘。常溫下，氘是一種無色、無味、無毒無害的可燃性氣體。

　　氚被稱作超重氫，原子核中有1個質子和2個中子。氚有放射性，會發生衰變(指放射性元素放射出粒子而轉變為另一種元素的過程)，衰變會釋放出氦3，這種元素無毒，不燃燒，不過會導致窒息。相對於鈾的放射性，還是比較安全的。

　　氘和氚的聚變反應方程式為：

　　具體可以解讀為，一氘原子和氚原子發生聚變，產生氦4+和一個中子，並釋放17.6MeV的能量，1MeV等於1.67x10^-13焦耳。這個說法可能還不直觀，這麼說吧，1克氘氚混合氣體可以產生10萬度電，約相當於30噸煤炭的能量。

　　實現可控核聚變的難度很大，對技術的要求很高。自然狀態下，氘核與氚核的混合態不會產生核聚變，必須滿足一定條件，如超高溫和高壓。太陽的中心溫度「只有」1500攝氏度。像這樣的「低溫」按道理來說是無法產生核聚變的，不過其內部的高壓彌補了這一點。

　　但是很遺憾，想要實現太陽內部同等的高壓，對目前來說幾乎不可能，於是只能想辦法實現高溫。

　　因此，要發生核聚變，首先就必須提高物質的溫度，使原子核和電子分開，這一過程叫做電離(此前電子一直圍繞原子核做圓周運動)，實現電離需要達到10萬攝氏度高溫。處於這種狀態的物質稱為「等離子體」。等離子體是不同於固體、液體和氣體的物質第四態。

　　電離後，原子核就成了「光杆司令」，但是，由於原子核帶正電，同性相斥的原理使得原子核相互排斥，無法結合。為了克服這種靜電斥力，原子核需要以極快的速度運行，要使原子核達到這種運行狀態，就需要繼續加升溫，直至上億攝氏度！

　　達到一定溫度後，原子核就會極速運動，只要速度夠快，原子核就躲避不及(就像高速行駛的車來不及避讓)，當兩個原子核之間互相接近至約萬億分之三毫米時，會在核力作用下相互吸引到一起，從而放出巨大的能量。

　　核力是一種存在與原子核尺度上的力，正是這種核力將帶正電的質子束縛在原子核內部。

　　相對於核裂變，核聚變釋放的能量更大；也不會產生高端核廢料，可不對環境構成大的汙染；原料豐富，海水中氘的總量約45萬億噸，氚則可由鋰製造。

　　優勢很大，難度卻也不小。從上面的描述看出，聚變產生需要上億攝氏度，同時還要保證聚變在密封空間下進行。但問題是，什麼材料能耐上億的高溫呢？

　　別想了，不存在這種材料。

　　人造太陽，比太陽的溫度還要高

　　需要說明的是，我們討論的都是可控核聚變，人類已經實現了不可控核聚變(氫彈)。

　　由於不存在可以耐上億高溫的固體材料，所以科學家提出了替代方案。

　　第一種是雷射約束核聚變，也稱慣性約束核聚變。簡單來說，就是通過雷射束或粒子束實現高溫，從而促成聚變。中國的神光計劃，美國的國家點火計劃都是採用的這種形式。

　　第二種是磁約束核聚變，就是利用強大的磁場，製造成一個封閉空間，讓高溫反應在這個磁場空間中進行。這一方案也是目前公認最有前途的。本文開頭提到的ITER託卡馬克就是採用的這種方式。

　　當然，實現磁約束核聚變不止這一種裝置，還有仿星器、磁鏡、反向場、球形環等，不過人類對託卡馬克的研究是最深入的。

　　託卡馬克(Tokamak)是一環形裝置，又稱環磁機，通過約束電磁波驅動，創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫，其名稱來源於環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、線圈(kotushka)，基本上，其名字就將這個裝置結構說的差不多了，當然，也沒這麼簡單。

　　託卡馬克的中央是一個環形的真空室(有點像輪胎或者甜甜圈)。這裡以中國的全超導託卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)來了解該裝置的結構。

EAST 磁體系統截面圖

　　EAST 主要結構包括主機部分和輔助系統。主機系統是整個裝置的核心，主要有磁體系統和真空系統兩部分。

　　磁體系統包含16個縱場線圈(TF)、14個極向場線圈(PF)和本文開頭提到的校正場線圈，在14個極向場線圈中，6個為芯部的中心螺線管線圈，8個為外部的大線圈。

　　真空系統由真空室和真空泵組成，真空室又分為內、外兩個，外真空室的主要作用是隔熱，內真空室則是容納用來發生核聚變反應的等離子體的容器。

　　除了磁體系統和真空系統，託卡馬克裝置包括電源系統、控制系統、加熱系統、噴氣及彈丸注入系統、偏濾器、孔欄、診斷系統、包層系統、氚系統、輻射防護系統、遙控作業系統等子系統與組成部件。

　　工作時，託卡馬克的環形和縱場線圈產生環形和縱向磁場，就像一個「鐵籠」，在這個「鐵籠」的核心甚至可以達到1.5億攝氏度，這是太陽核心溫度的10倍。

　　在託卡馬克中，用來控制等離子體的變化的磁場會產生熱效應。磁場通過感應產生高強度電流，並且當該電流流過等離子體時，電子和離子被激發並發生碰撞，從而產生熱量。

　　當然，單憑電流加熱肯定是不夠的，還需要輔助加熱手段：中性束注入和高頻電磁波。

　　中性束注入就是將事先加速到很高能量的離子束變成高能中性粒子束，然後再注入到等離子體中，高能中性粒子通過跟原先等離子體碰撞變成高能離子而被捕獲，再經過而熱化，同時將能量傳遞給電子和離子，達到給等離子體整體加熱的目的。

　　這個過程相當於「火上加柴」，而且加的還是燃燒著的柴。

　　高頻電磁波加熱的原理和微波爐加熱食物差不多，具體操作是將高頻波射入到等離子體中，高頻波所攜帶的能量會傳遞給帶電粒子，從而增加其運動的速度從而提高溫度。所用的高頻波要與機器內部的等離子體離子和電子的頻率相匹配，從而產生共振，最大程度地提高熱傳遞。

　　憑借這些加熱方式，溫度不斷升高，氘和氚的原子核就會高速運動，在真空室這樣的狹小空間中，這些原子和就會在運動中發生碰撞，從而產生巨變，融合產生氦3和中子並且釋放巨大能量。中子將被託卡馬克的周圍壁吸收，其動能將作為熱量轉移到壁上並最終排出。

　　細心的讀者可能會發現上面在提到EAST時，其中文名多了「超導」兩個字。這兩個字來自於用以製造線圈的超導材料。這是因為一般的導電材料有電阻，使得線圈的效率降低，同時限制通過大的電流，就不能產生足夠的磁場。

　　超導材料雖然增大了磁場，但是其超導特性需要在低溫下維持。因此，相比普通託卡馬克，超導託卡馬克還多了製冷部分，可以實現零下269攝氏度的超低溫。要在同一個設備中同時使最低溫和過億攝氏度的高溫同時存在，還需要建立超真空系統(也就是上面提到的EAST的外真空室)隔熱。

　　可以看出，超導託卡馬克的製造難度很大，目前為止，世界上有4個國家擁有大型超託卡馬克裝置：法國的Tore-Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U，和中國的EAST。

　　EAST的大小和半徑雖然只有ITER的1/3和1/4，但是其運行時間要早於後者，目前ITER剛開始組裝，預計要到2025年才能開始等離子實驗。

　　2016年1月28日，EAST實現了電子溫度超過5千萬度、持續時間達102秒的長脈衝等離子體放電，為目前世界最長。今年4月，EAST等離子體中心電子溫度首次實現1億攝氏度運行近10秒。可以說，中國在可控核聚變的研究方面走在了世界前列。

　

（文章來源：前瞻網）

(責任編輯：DF118)