中國新一代「人造太陽」受到全球矚目,「人造太陽」為何如此重要

2021-01-16 超哥的科學世界

2019年12月份,俄羅斯、美國等各國媒體都相繼報導:中國新一代「人造太陽」取得重大突破,有望2020年投入使用。為何中國的「人造太陽」備受矚目?

科幻片中的人造太陽

能源的重要性及能源危機

對現代人類本身而言,能源與生存息息相關。試想一下,如果沒有電、沒有汽油、沒有天然氣、沒有自來水,現代人將如何生存呢?對國家而言,能源代表著經濟,代表著國力。美國就是通過美元與石油掛鈎才確保了美元的全球化,而現代戰爭幾乎全都因能源問題而引發。可見能源問題是現在全球最受矚目的問題。當前主要的能源來源是煤和石油,顯然這些資源都是不可再生的。如果沒有新的能源代替,地球上的石油和煤將很快被耗盡(具體年限,小編沒有找到權威的解答,但估計50年之內還扛得住)。

新能源

現有新能源有哪些不足之處

為解決能源危機問題,自上世紀中後期,全球各國開始積極研發可替代能源,也就是新能源。但現有新能源還存在著不足之處,讓我們簡單列舉幾種:

頁巖氣:不可再生能源、雖然相對潔淨但終歸會產生一氧化碳和二氧化碳。

太陽能、風能:可再生能源(只要太陽不毀滅),而且絕對清潔,但效能太低。

核裂變:效能極高、但有安全隱患(日本核洩漏)、最重要的是核汙染,尤其是核廢料中的鈽239,毒性極大,且半衰期為2.41萬年(看到這個數字就問你崩不崩潰)。

氫彈的威力

那麼有沒有效能高、可再生又非常清潔的能源呢?有,就在天上!沒錯,你一定猜到了,就是太陽!太陽是通過核聚變放出大量的能量,即氫與氫核聚變成氦,並放出伽馬射線和中微子。正是由於科學家看到了這一點,所以各國開始研發核聚變發電技術。也正因如此,我們才把這種核聚變發電設備稱之為「人造太陽」。

中國核聚變反映設備

核聚變發電為何難實現

也許你會問,這不就是氫彈嗎?不是已經很成熟了嗎?別著急,看完這段文字,你自然就明白了。核裂變同核聚變一樣,都是通過將質量變成能量的方式(E=mc^2),釋放巨大的能量。可見核能的效率極高,一點點的質量就可以轉化出巨大的能量。但不同的是,核裂變是非常容易實現的,鈾這種物質塊頭如果夠大,自己沒準啥時候就裂變了,所以核電站的核心目的是控制其裂變速度,如果控制不好形成大面積鏈式反應可就真成原子彈了。而核聚變是非常困難的,太陽核聚變靠的是巨大的重力和超高的溫度。所以核聚變發電技術的難點是,如何實現持續穩定的核聚變。這明顯和氫彈不同,氫彈是瞬間釋放大量的能量,完全沒有持續的概念,根本不需要控制。所以核聚變發電比造氫彈難得多。

多種核聚變反應公式

核聚變反應原理

原子是由原子核和電子組成的。以氫為例,當兩個氫核撞擊成為一個氦核時就是氫氦核聚變,問題是兩個帶正電的原子核之間存在著強大的斥力。所以必須讓兩個原子核具有極高的動能,才能克服電磁力碰撞,發生核聚變。而提高原子核動能的辦法就是提高溫度。氫彈就是利用小型原子彈爆炸產生的熱量來啟動核聚變的。現我國的核聚變反應設備,可實現2億攝氏度,可以很輕鬆的觸發核聚變。

託卡馬克核聚變反映設備

核聚變的控制方式

還是那句話,我們畢竟不是做氫彈,所以控制核聚變才是關鍵(如果產生的能量都變成動能,原子核就好像一顆顆子彈一樣,能量將無法被我們所利用)。一般來說有三種控制方式:

1、引力控制,太陽就是通過自身強大的引力來控制原子動能的,顯然在地球上不可行。

2、慣性控制,在極短時間內,獲取核聚變的能量。個人感覺這個難度也不小,美國正在研究,好像也沒什麼重大突破。

3、磁力控制,通過強大的磁場控制原子核和電子的運動。這類設備有兩種,一種叫仿星器,另一種叫託卡馬克。

中國託卡馬克核聚變反映設備

常常被報導的中國「人造太陽」就是託卡馬克核聚變反映設備,其他控制方式的設備我們也在研發。核聚變發電技術,是現在最炙手可熱、最前沿的新能源技術。而我國從一無所有,到今天的全球領先僅僅用了40年的時間,作為一個中國人,必須感到自豪!

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