日前,中科院等離子體物理研究所(合肥)宣布中國「人造小太陽」託卡馬克裝置東方超環(EAST)取得重大突破,首次實現1億度運行,大概是太陽內部溫度(約為1500萬攝氏度)的7倍。其中獲得的多項實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件,朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步。

「EAST」是什麼?全稱為「experimental advanced superconducting tokamak」,譯為全超導託克馬克核聚變實驗裝置。又被稱為「人造小太陽」,名稱的確霸氣十足,在地球上造一個小太陽,有一種非常科幻的感覺。正是這一裝置,讓我國邁進磁約束核聚變研究的前沿,並逐漸成為該領域的領頭羊。
提到太陽,我們不得不提起它的超高溫度,但是比起我國的「人造小太陽」,還是小巫見大巫。「人造小太陽」有著超高高高的溫度,一億度!這是怎麼做到的?用什麼東西能裝下它啊?會不會爆炸?看到這樣的溫度,腦子裡一連串的問題就出現了。
一億度的產生是在託克馬克裝置的真空室,將氘、氚(氫的同位素)原料放入,通過核聚變的聚變反應發光發熱,然後產生巨大能量。至於盛放的容器嘛,其實核心原理就是我們中學接觸的電磁場。至於爆炸的問題,其實內部一直處於「爆炸」狀態,當然不是我們概念中的那種爆炸,是碰撞產生的聚變反應。這種狀態如果不可控就成了氫彈爆炸,「人造小太陽」研究的目的就是實現「可控」聚變反應。
為什麼要研究聚變反應?
因為要解決人類的能源問題。人類自誕生之日起的內部競爭,歸根結底都是能源的再分配問題,就如同經濟學中稀缺性是根本原理一樣,能源正是因為具有稀缺性和有限性,所以引發各種紛爭,但無限的能量源可以解決這項問題,而核聚變反應提供了這種可能性。有人可能會想:核裂變也能產生巨大能量,研究這個也行。
核裂變可能難以擔當重任。裂變技術雖然相對聚變技術簡單,但消耗的燃料往往只在極端環境下產生,地球上的儲量十分有限。
可控核聚變一旦成功,人類將進入下一紀元,歷史也將從此刻分為兩段。
其中你最熟悉的應用可能是鋼鐵俠胸口的方舟反應堆,在磁約束的條件下通過聚變反應供能,電影中提到反應堆每秒輸出能量30億焦耳,換算成電的話能供全國人民用一天半。這還只是每秒輸出的能量,就如此恐怖了。
另外一個比較有趣的知識點是原子序數大於鐵的元素在一定條件下,都可以發生核裂變反應,最終生成鐵元素,而原子序數小於鐵的元素在一定的條件下,都可以發生核聚變反應,最終也生成鐵元素。鐵元素剛好處於聚變和裂變的臨界狀態,鐵之後的元素需要吸取能量才能聚變,所以鐵是最後一個靠恆星聚變而來的,之後的元素是靠超新星爆發而來的。鐵正好是元素周期表的一個分界點,所以很多科幻作者都會描寫出濫用核反應技術導致未來世界成為鋼鐵森林的情節。
在地球上實現太陽內部核聚變的模擬,終有一天,這將會變為現實。而託卡馬克,EAST,是人們未來得以實現「無限能源」這一暢想的化身。
感謝科學工作者夜以繼日的研究,未來可期。
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