人類終極能源:從一窮二白到「希望之子」中國改變了什麼?

2021-01-08 騰訊網

人類對於能源的需求是無止境的。而在當下,如果要談終極能源,不會是地下的黑金石油,而是微觀中的核能反應。人類目前已知的最大能源,是我們必不可缺的太陽,按照如今學術界的說法,它其實就是一個超大型的核聚變裝置。太陽內部的原子核不斷相撞結合,最終釋放出巨大的高溫和能量。但這樣的反應是不太可控的,太陽有著難以想像的質量。向內的引力和原子向外爆炸的張力。達成了平衡。才實現了核聚變, 產生巨大能源。

而人類雖然發展出了核能,但只能讓它爆照實現不了控制,因此研究核聚變裝置是人類未來的主題方向。而中國就是目前最有希望建造終極能源的國家,但這樣的成就並非一帆風順。期間中國也經歷過一窮二白的時期,一路走來十分不容易。

想要知道中國核聚變歷史,就得談到國際熱核實驗堆這個項目。可控核聚變的實質其實就是將,一團聚變後產生的等離子體。維持在一個範圍內,使其釋放巨大的能量,但這個過程需要超過1億度的高溫。地球卻沒有任何材料能夠承載這樣的高溫。因此如何設計實驗裝置曾經困擾世界多年。

上個世紀50年代,美國是最早投入核聚變試驗的國家。耗費大量資金建設仿星器、磁鏡等裝置。實施捨伍德工程後,最終都以失敗告終,同時期的英國雖然也製造了zeta實驗裝置,但後面也證實該裝置是失敗的。核聚變發展進入停滯,一直到1958年,全球科學界在日內瓦召開了研討會。蘇聯科學家薩哈羅夫提出了託卡馬克的概念,這才奠定了實驗裝置的走向。

託卡馬克裝置其實就是一個利用磁約束來實現核聚變的環形容器。內部中空、外部纏繞線圈、通電的時候,託卡馬克內部會產生巨大的螺旋型磁場。將裡頭的等離子體加熱到很高的溫度。以此來達到核聚變的目的。這樣的方法是有效的,在蘇聯建造出該裝置並試驗成功後,美國隨後按照經驗製造了TFTR裝置。歐共體製造了JET裝置、日本製造的JT-60裝置,但這些裝置都不夠大,不夠滿足人造太陽的規模。

因此在1985年,美國、蘇聯、歐共體和日本正式啟動國際熱核反應堆計劃項目(ITER)。打算建造一個大型的核熱反應堆。但項目實施得十分不順。一直到1996年至少需要100億美元的研究預算出爐後。龐大的經費,讓美國宣布退群,因此項目也就進入了停滯。

也就是在這個時候,中國開始了自己的核聚變研究。中國其實一直都沒有參與國際熱核試驗。沒錢沒技術沒科學家,在核聚變領域十分薄弱的中國沒人願意帶我們玩。一直到蘇聯解體後莫斯科庫爾恰託夫研究所贈送給中國一臺超導託克馬克裝置T-7,中國才開始了自己的核聚變研究。這是一臺蘇聯早期的託克馬克裝置,蘇聯在T-7發明出來沒兩年後,T-15就製造出來了。因此T-7也就放在了倉庫中吃灰,等到蘇聯解體後該裝置也沒有什麼處理方案,最終才選擇贈送給中國。當然我們也沒白拿,人道回贈了2車的羽絨服後就收下這個裝置。

這個裝置放在當時其實已經是很久的裝置,奈何中國一窮二白,這樣的裝置剛好適合中國,於是我們就開始鼓搗T-7裝置。在1994年,以原來的基礎上建成了HT-7超導裝置,開始了核聚變研究,這個過程其實並不容易。畢竟當時裝置的零件 中國都沒有辦法製造,還只能從俄羅斯進口,於是我們就下了非常多的功夫。

在研究該領域的理論時,同時培養起一批優秀的製造企業和科學家。而上下一心的中國是可怕的,通過幾年的努力。在2007年 中國又建立了新的裝置,那就是東方超環,這是一個中國自主創造託卡馬克超導裝置。目前已經獲得過一兆安等離子電流試驗和100秒1500萬度偏濾器長脈衝等離子體等多項研究成功。這也讓中國成為了全球核聚變領域的佼佼者,開始有資格參與國際的核熱項目。

2002年,在歐盟 日本和俄羅斯的協商下,中國被邀請參與ITER項目。中國的加入讓這個停滯的計劃開始轉動。之後,退出的美國宣布重新加入,韓國和印度也被先後拉了進來,能夠參與進來其實都代表著身份的體現,至少在國際上都擁有著較高的地位,畢竟9%的試驗費用,也不是誰都能承擔得起的。

不過花費的多,很多國家就想從中賺取利益。從2006年起,因為國家的利益的扯皮,項目始終停滯不前。就比如確定裝置的建設地點,日本和法國就一直爭執不下,經過多年探討,最終才確定建設在法國的卡達拉舍。但期間還是為了經濟利益而謀皮不斷。不得已,法國最終拉上了中國。在2019年,由中核集團牽頭成立了中法聯合體,由中國承擔建設了該裝置的試驗隊負責核心部件的生產與安裝。而中國參與核心部件後,工程進度立馬就提高了。

僅一年,今年5月中國完成了該裝置的核心杜瓦底座的安裝,同年7月,這個地球最大的核聚變工程 終於進入組裝階段,並預計在2025年建設完成並開始試驗。

而ITER的進程緩慢,國際利益的不斷扯皮,中國實在不願意將雞蛋放在一個籃子上。2017年中國宣布建設中國聚變工程實驗堆(CFETR),在合肥正式啟動工程設計,該計劃在2021年 立項建設。2035年計劃建成實驗堆開始科學實驗。2050年,聚變工程實驗堆實驗成功。建設核聚變商業示範堆,最終完成人類終極能源的應用。毫無疑問,核聚變試驗的困難是超乎人們想像的。不過,中國在核聚變領域上的發展,已經從零發展到讓很多國家望而項背。如果要說誰能夠真的實現,人造太陽的夢想,那麼中國一定是最有可能的那個。

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