中國可控核聚變力壓美國，溫度達到太陽十倍，聚變發電還遠嗎？

2020-12-21 人馬座A

核聚變是宇宙的終極能源，太陽就是靠聚變來發光發熱，普照萬物。而可控核聚變，則是人類解決能源問題的希望所在。我國新一代人造太陽：中國環流器2號M的首次成功放電，標誌著國內聚變研究又向前邁進了一大步，溫度達到了1.5億攝氏度，是太陽中心溫度的10倍，而等離子體電流和環向磁場強度超過了美國現存最大的託克馬克裝置DIII-D，達到了世界一流水平。

中國環流器2號M首次成功放電

而最近，一直跳票的聚變界「鴿王」：國際熱核試驗堆ITER的建造也有了些眉目，這些進展是否意味著多少人心心念念的核聚變發電，就快要實現了呢？別急，咱們今天就來分析一下高大上的可控核聚變，看看它是不是還需要「再等50年」？

50年魔咒：可控核聚變為何難產？

從可控核聚變的理念提出開始，科學家就「保守」地估計實現它大概需要50年。如今60多年過去了，世界已經變了模樣，可控聚變依然還是「再等50年」，為什麼這麼難產？因為聚變的條件實在太苛刻了，受控的聚變就更難，而且理論計算是一回事，建個真傢伙又是另一回事，咱們先來看看為什麼聚變這麼難：

氘氚核聚變原理

最容易實現的核聚變是氘氚聚變，是由一個氘原子核和一個氚原子核發生聚變，生成一個氦原子核和一個中子。氘氚原子核都帶正電，根據庫侖定律，它們之間的排斥力隨著距離的縮短而急劇增大，而要想讓它們發生聚變反應，需要將距離縮小到大約10的-15次方米，也就是一根頭髮絲兒的500億分之一，可以想像，要讓氘氚靠近到這個距離，需要克服多麼巨大的庫侖力。而要想實現這一點，靠爆炸擠壓是不可能的，只能靠提升溫度，溫度越高，原子的熱運動就越猛烈，當溫度達到幾千萬甚至1億度以上時，一部分氘氚原子核的熱運動速度將使其克服電荷的斥力，實現勝利會師，發生聚變。

氫彈爆炸需要用原子彈作為引信

在上億度的高溫下，物質的原子核和電子已經剝離，形成了等離子體。可以想像，1億度的等離子體足以摧毀與它接觸的任何物質，沒有哪個「容器」能把它裝起來，於是科學家想出了兩條路：一種是磁約束，就是用磁場來「裝」下等離子體，由於等離子體中的粒子都帶電，所以能用磁場來限制它的運動，使等離子體集中在一定區域。我們經常聽到的託克馬克就是一種磁約束裝置，另外還有磁鏡、仿星器等也屬於磁約束。另一條路是慣性約束，用一個內部含有聚變物質的小球，將許多路雷射從四面八方打到小球上，瞬間達到高溫高壓，引發聚變。這種慣性約束更像是一錘子買賣，從實現發電的角度來講，不如磁約束來得實在，所以人馬君下面還是講講更有前景的磁約束。

用磁場約束等離子體

最有前景的人造太陽：託克馬克裝置

現在最火的磁約束裝置就是託克馬克，它用環形真空室來約束等離子體，是蘇聯科學家在1950年代發明的，在後來的實踐中，秒殺了美國和西歐搞出的各種稀奇古怪的裝置，成為當今聚變研究領域的主流。有了託克馬克，是不是能實現可控聚變了呢？還差得遠。首先，至少得讓聚變產生的能量大於輸入能量，否則有啥意義呢？這就要求等離子體溫度要夠高，密度要夠大，才能讓足夠多的氘氚原子核發生反應；然後，聚變反應要能自持，不能玩一錘子買賣。這個說起來容易做起來難，因為氘氚聚變產生的能量雖多，但卻有80%在那個中子身上，中子不帶電，不受磁場約束，出生之後一溜煙就跑了，剩下的20%才能用於維持自身的溫度，實在是有苦難言啊。

託克馬克裝置

為了實現以上兩點，託克馬克裝置需要達到儘可能高的「聚變三重積」，就是溫度乘上密度再乘上約束時間。這個參數越高，越有可能搞出實用的可控聚變。為了達到上億度甚至更高的溫度，科學家採用歐姆加熱、中性束注入和微波加熱等方式，而要提高等離子體密度和約束時間，就得看磁場的本事了。等離子體極不穩定，約束磁場不僅要強，還要從不同的方向來控制，需要精細的設計和調校。我國在2007年建成了全超導託克馬克裝置EAST「東方超環」，使用超導技術產生磁場，目標是達到1000秒的約束時間，十分給力。

EAST東方超環

而目前世界上參數最高，最有希望實現長時間大功率可控核聚變的託克馬克裝置，是各國合作建設的國際熱核試驗堆ITER，這個1985年就開始搞的大傢伙，真空室直徑超過12米，能在500秒的約束時間裡，實現50萬千瓦的聚變功率，這已經達到電站級別了。中國也參加了ITER項目，而最近建成的中國環流器2號M，就是為了消化吸收ITER的技術。但ITER由於難度太大，加上參與國各有心機，幾十年來連續跳票，最新的計劃是2025年開始運行，說實話，我看懸！

史上最大的聚變裝置：國際熱核試驗堆ITER

即使成功聚變，如何發電也是難題

但假設ITER項目按期完工，並且成功運行，可控核聚變就大功告成了嗎？遠遠沒有！ITER並不能發電，這50萬千瓦，指的是聚變功率，其中就包括那個跑掉的中子的能量，佔總能量的80%。這部分能量如何利用，是個大難題。中子沒有電荷，面對電磁場時刀槍不入，只能通過與較輕原子的碰撞來使它減速，要讓這個能量高達14.1兆電子伏的中子慢下來，將能量轉化為電能，令人傷透了腦筋。

除此之外還有個大問題：氚從哪裡來？氚的製備很麻煩，需要在反應堆裡用中子轟擊鋰-6來獲得，而聚變裝置恰好會產生大量中子，於是人們設想在等離子體真空室外面設置一個含鋰的包層，這個包層可以屏蔽中子，吸收中子能量，還可以產生氚來彌補聚變的消耗。流經包層的冷卻劑被加熱到高溫，就可以開啟核電廠喜聞樂見的「燒開水」+汽輪機模式了。

終極「燒開水」模式

想法都挺好，但實現起來難上加難，選用何種材料製造包層，如何把產生的氚提取出來，再如何把它加入到上億度的等離子體中且不能破壞穩定性，這些都還只是概念設計，而ITER是驗證不了這些的。想實現真正的聚變發電需要等ITER的繼任者——聚變示範堆DEMO，預計2060年投入運行，要達到商用的話，人馬君掐指一算，差不多2070年，哎喲？還真恰好是50年哪！

中國聚變工程實驗堆想像圖

50年，恐怕還是繞不過去！

人馬君預測，肯定會有網友提出：科技發展日新月異，而且越來越快，現在覺得需要50年，也許過段時間就會發現用不了那麼久呢！這話吧，有一定道理，但不知各位注意到沒有？現在科技發展的重點，是計算機技術的應用，包括網際網路、大數據、AI等等。而物理、化學等基礎學科，其實進展不是那麼快，就好像被「智子」鎖死了一樣。很不巧，可控核聚變恰恰是真正的硬核科技，AI技術再厲害，也解決不了擋在面前的物理問題，所以，50年這個事，沒那麼樂觀呀！

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  • MIT最新研究進展-可控核聚變這是真的要來了？
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  • 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？
  • 可控核聚變材料提取和環流器均有新突破
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  • 以「人造太陽」成功放電,解讀什麼是可控核聚變,為何如此重要
    就在全世界可控核聚變研究正如火如荼之時，中國已悄然發力，在該領域率先實現重大突破。那麼什麼是可控核聚變，為什麼世界各國爭相參與研究？可控核聚變依然屬於核聚變範疇，核聚變就是利用原子核聚變反應來產生能量，而可控核聚變，顧名思義，就是可以利用慣性約束或者磁約束等方式使之發生可控的、安全的核聚變反應。
  • 外媒:中國會成為核聚變發電技術的世界第一嗎?
    它就是全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）的設備。 在EAST內，氫原子不斷的融合成氦原子，其產生的熱量和溫度是太陽的數倍。這個反應由強大的磁力進行控制，如果能持續運行的話，每天都可以產生巨大的電能。 在全世界——包括美國、日本、巴西和歐盟，所有人都想掌握核聚變反應，但是從穩定性來說，目前沒有人可以達到中國安徽「科學島」團隊的水平。
  • 我國人造太陽,首次實現1億度!人類距離可控核聚變還有多遠?
    礦產資源有很多缺點，比如開採難度大、成太高、汙染也大，最關鍵是大多資源還掌握在部分國家手裡。為什麼美國用紙印點美元就可以全世界買買買？本質上很大程度靠的不還是石油霸權嗎？ 很難洩漏爆炸 很多人應該都知道，氫彈是需要用原子彈才能引爆的，因為發生核聚變所需的條件，就是要極度的高溫、高密度等非常苛刻的條件，一般至少也需要達到幾千萬攝氏度，也只有原子彈的爆炸才能產生這麼高的溫度與壓力，即使核聚變裝置發生了洩漏，沒有極高的溫度與密度等條件，也不會發生什麼反應，更不會爆炸，所以車諾比的爆炸事件在核聚變上基本是不可能發生的。
  • 可控核聚變還需多久?深度解讀:我國的「人造太陽」之路
    可控核聚變還有多久可以成功？我國在可控核聚變領域技術屬於哪個梯度？剛剛成功放電的HL-2M是什麼水平？和已運行的EAST「人造太陽」有什麼區別？我國的核聚變發展的歷史、現狀和未來規劃又是如何？相信廣大網友在關注核聚變的同時，或多或少會對這些問題比較好奇。作為深處核聚變研究一線的「打工人」，為大家分享解讀：我國「人造太陽」之路的前世今生。
  • 可控核聚變卡在了哪，還要讓我們等多久？
    人類發展可控核聚變技術的靈感來自於太陽，因為太陽就是一個巨大的聚變反應堆，按照現在的能源消耗速度來計算，太陽核聚變每秒鐘所產生的能量就可以滿足全人類數十萬年的能源需求，現在你應該能夠明白，為什麼我說在地球表面所能夠收集到的太陽能量幾乎為零了吧。
  • 袁嵐峰:在可控核聚變的道路上,中國走到了哪一步
    核聚變的途徑 在太陽中心，氫可以在1500萬度的高溫和2000億個大氣壓的高壓下聚變成氦。而在地球上沒有那麼高的壓強，要發生聚變，溫度就只好更高，達到上億度。有什麼辦法能達到這麼苛刻的條件呢？ 核裂變笑了：不要以為有了核聚變我就沒用了，要達到核聚變的條件，還得看我！是的，原子彈是目前唯一可用的實現如此高溫的方法。
  • 為何應用可控核聚變還是遙遙無期？
    我們常常可以從新聞上看到專家稱可控核聚變實現應用還需要50年，這裡說的是應用，而不是工程階段，可控核聚變民用階段是個偽命題，至少在真正的可控核聚變研發出來後才能做到真正的預測應用時間。其次是可控核聚變從真正開始研究到現在也才60年的時間，在這60年的時間裡，先驅科學家們一直致力於如何「約束」住高達幾億攝氏度的等離子體，因為要想發生核聚變反應，至少達到這麼高的溫度。可是當今最耐熱的材料不到1萬度也會熔化氣化，在利用磁場和慣性來完好約束等離子體的道路上，我們已經整整花費了60年。
  • 為何應用可控核聚變還是遙遙無期?
    我們常常可以從新聞上看到專家稱可控核聚變實現應用還需要50年，這裡說的是應用，而不是工程階段，可控核聚變民用階段是個偽命題，至少在真正的可控核聚變研發出來後才能做到真正的預測應用時間。
  • 率先獲得國際認證:中國不斷突破可控核聚變技術
    恆星的孩子古往今來，對太陽的崇拜遍及許多宗教和無數人，但誰也不知道太陽發光發熱的根源是什麼。直到1938年，美國物理學家漢斯·貝特（Hans Albrecht Bethe，1967年諾貝爾物理學獎得主，1906 - 2005，享年99歲的超級硬朗老爺子）才發現太陽的能量來自於核聚變。《費曼物理學講義》提到，那天晚上他和女朋友出去散步，女生說：「天上的星星好美呀！」