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【时快讯】花几百亿“烧一壶开水” 美国是不是有“大病”?
据英国《金融时报》援引消息人士提供的信息,北京时间今天晚上,美国能源部将会召开一次新闻发布会,预计将公布人类首次有收益的可控核聚变实验结果。
重要问题放前面,据报道实验结果是:人类花费几十年努力,用一个价值几百亿的炉子,产生了可以烧开一壶水的能量。
【资料图】
上面这是我翻译的,原话的意思是:美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室的可控核聚变“国家点火装置(NIF)”在十一月底的一次实验中,用 2.1 兆焦的能量输入,测量到 2.5 兆焦的能量输出,能量净收益 400 千焦。
NIF 192束高能激光汇聚在一起,图片来源:NIF官网
不关注科学新闻的朋友可能觉得这没啥。经常关注核聚变研究进展的朋友也会觉得这也不是啥惊吓。处于两者之间的朋友们可能是最欢呼雀跃的。
当然我们要先说正能量消息,这个消息就是真正的“正能量”。核聚变因为其巨大的潜力,被很多人认为是解决人类未来能源乃至一切问题的根本解决方案。
可不,要是不可控的核聚变玩大了,有可能根本解决一切问题,毕竟,那就是氢弹……
核聚变的发生要在一个极端高温高压的环境里才能实现。自然界中,包括太阳在内的恒星,之所以可以用核聚变来产生巨大的能量,原因就在于它们都超级超级大,自身的引力在恒星内部产生了极大的压强。显然,地球上没法制造这么大的引力。在氢弹中,我们用原子弹爆炸产生的高温高压来使物质达到聚变的条件。然而那是一锤子买卖,不可控。
几十年下来,最终有两种解决思路成了可控核聚变的主流方案。
01 用超强磁场约束等离子体
火就是等离子体,物质的温度高到一定程度就会变成等离子体,而等离子体带电,所以可以用磁场来“困住”它。大家可以点个蜡烛,用强磁铁试试看能不能让火焰弯曲。
那么磁场从哪里来?磁生电、电生磁,所以只需要一个电磁铁就能产生磁场。但要产生巨大的磁场就需要巨大的电流,巨大的电流在普通的导线里,会由于电阻的存在变成巨大的“电热炉”,最终烧了整个电磁铁。
不过,我们现在有了超导材料,用超导电磁铁围住一个环,产生的超强磁场让里面的物质即便很热也跑不出去。跟太上老君的炼丹炉一样。这种思路,就是超导托卡马克装置,最早是苏联科学家提出的。
图片来源:中国科学院等离子体物理研究所
目前,超导托卡马克派是国际核聚变界的更主流的力量,我国的聚变装置主要为托卡马克。凭借在超导领域的领先地位,我国很早就开展了这个思路的可控核聚变研究。2006 年,我们就在合肥建成了“东方超环”全超导托卡马克实验装置,此后不断创造世界纪录,现在已经可以把一亿度的等离子体束缚十几分钟。
我们还参与了可控核聚变界最大的国际合作项目-国际热核聚变实验反应堆(ITER)的建设,该项目在法国南部,总花费将超过 100 亿欧元。欧盟作为发起人占 45% 份额,中、美、俄、日、韩、印分担其余的份额。它将会在 2025 年完成建设开始实验。到时候,它的磁场强度将达到 5.3 特斯拉(注:特斯拉是磁场强度的国际标准单位),要知道地球表面的地磁强度才几十个“微”特斯拉,我们东方超环的磁场强度是 3.5 特斯拉。
托卡马克实验装置已经很接近净收益的可控核聚变了。什么叫净收益呢?就是有的赚。人工核聚变人类早实现了,可控人工核聚变也实现很久了,但是要实现它,我们需要花费巨大的能量。比如要维持托卡马克装置巨大的磁场,就需要巨大的电能,最终核聚变产生的能量还没我们为了实现它花的能量多。
02 用激光约束等离子体
另一派可控核聚变的技术流,是用激光实现等离子约束。激光可以让很大的能量集中在很小的区域内,此次美国国家点火装置(NIF),就是用激光约束等离子体这一方法的。
在实验中,NIF 使用激光照射一个塑料小球,激光的超高温度会让小球瞬间气化,同时产生一个速度为 350 千米/秒的冲击波。
随后,产生的冲击波会把小球气化后的等离子体进行压缩,被压缩的等离子体密度会达到铅的 10 倍以上(可以想象成把 2 个鸡爪子压缩到 1 立方厘米大小)。
为了做到这一点,NIF 需要用大约 200 束紫外激光照射塑料小球,这些激光来自于掺钕磷酸盐玻璃激光器,总功率达到了惊人的 500 太瓦。
太瓦是什么?
瓦大家比较熟悉,什么充电器多少瓦的。
千瓦是一千个瓦,空调电烤箱功率是一两个千瓦;
一千个千瓦是兆瓦,飞机、轮船的发动机是兆瓦级别;
一千个兆瓦是吉瓦,三峡水电站的装机容量大概二十吉瓦;
而一千个吉瓦是太瓦。
500 太瓦什么概念呢?三峡一年的发电量,只能让它运行十几分钟。
好在,这 500 太瓦的激光只是在一瞬间工作的,工作时间以纳秒计算。即便如此,每次工作之后,NIF 都需要几个小时让实验装置冷却下来。
“激光约束等离子体”这一派以美国为领军者,我国也有自己的神光装置,几十太瓦的峰值功率虽然不及 NIF,但是完全有可能用不同的点火方案实现类似的结果。
登上《中国科学》封面的神光装置
NIF 今年年中也实现过一个能量输出的突破,但是之后没能重复出同样的结果。太瓦级巨大能量、皮秒级极小时间,这是完全超越了日常生活体验的世界。可控核聚变研究就是在世界的边缘探索。
如果你问,今天这个大新闻意味着什么?那么或许可以用可控核聚变研究领域这个自嘲来回答:人类距离可以使用核聚变解决能源问题永远只剩下 50 年了。1962 年的时候差 50 年,2022 年了,大概还差 48.5 年吧。
人类加油。
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