07 核聚變

很喜歡吳軍博士的書(shū)持隧,從《浪潮之巔》到《數(shù)學(xué)之美》,再讀了《文明之光》這四冊(cè)彬向。書(shū)中將技術(shù)史與文化史巧妙融合兼贡,精煉、易懂地描繪了人類文明發(fā)展的過(guò)程娃胆。這里摘錄部分內(nèi)容作為筆記遍希,如果大家覺(jué)得也有趣,建議看更有趣缕棵、更詳實(shí)的原著孵班。

核聚變所需的材料氘和氘在海水中大量存在,一升水中的氘和氚如果完全發(fā)生核聚變反應(yīng)招驴,相當(dāng)于三百升汽油燃燒的能量篙程。

氘氚核聚變

核聚變卻并不容易。在冷戰(zhàn)期間别厘,蘇虱饿、美、英三國(guó)在可控核聚變研究上最領(lǐng)先触趴,他們?cè)詾闅鋸棻ê蟮ⅲ芸炀湍軐?shí)現(xiàn)可控核聚變,就如同當(dāng)年費(fèi)米在核裂變實(shí)現(xiàn)不久就很順利地制造出人類第一個(gè)可控反應(yīng)堆那樣冗懦,于是他們彼此保密爽冕。但是事實(shí)證明,他們把問(wèn)題想得太簡(jiǎn)單了披蕉。經(jīng)過(guò)十多年的努力颈畸,三國(guó)的研究都陷入停滯,科學(xué)家們這才意識(shí)到没讲,可控核聚變比預(yù)想的難很多眯娱,很快建成聚變反應(yīng)堆的想法不切實(shí)際,再保密下去就不利于研究工作的進(jìn)展了爬凑,于是三國(guó)科學(xué)家開(kāi)始了互訪交流徙缴。1958年在瑞土日內(nèi)瓦舉行的第二屆和平利用原子能?chē)?guó)際會(huì)議上,三國(guó)展出了各自核聚變實(shí)驗(yàn)裝置嘁信,并達(dá)成協(xié)議于样,互相公開(kāi)研究計(jì)劃和成果。

要想實(shí)現(xiàn)可控制的核聚變反應(yīng)并不容易潘靖,因?yàn)楹司圩兎磻?yīng)需要幾百萬(wàn)度的高溫穿剖。要盛放這么“燙”的反應(yīng)物質(zhì),就得用一種無(wú)形的容器——磁場(chǎng)秘豹。

我們都知道物質(zhì)有三態(tài):固態(tài)携御、液態(tài)和氣態(tài),其實(shí)當(dāng)物質(zhì)的溫度高到一定程度后,它還有第四種狀態(tài)——等離子態(tài)啄刹。在環(huán)形裝置中通以大電流涮坐,所產(chǎn)生的強(qiáng)大的極向磁場(chǎng)和環(huán)向磁場(chǎng)一起形成一個(gè)虛擬的容器,可以將等離子體約束在磁場(chǎng)內(nèi)部誓军,不接觸容器壁袱讹。

物質(zhì)的四態(tài)

基于這個(gè)原理,前蘇聯(lián)阿齊莫維齊等物理學(xué)家發(fā)明了一種稱為托卡馬克( Tokamak)的可控核聚變裝置昵时。?

在托卡馬克強(qiáng)磁場(chǎng)的約束下捷雕,高溫的氘氘等離子體發(fā)生核聚變反應(yīng),釋放出巨大的能量壹甥。維持強(qiáng)磁場(chǎng)的大電流(上百萬(wàn)安培)需要消耗巨大的能量救巷,如果消耗的比反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量還多,顯然不可行句柠。因此浦译,各國(guó)核聚變研究的重點(diǎn)就放在如何提高輸出能量和輸入能量之比(也稱為能量增益),也就是科學(xué)家們常說(shuō)的Q值溯职。經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家的努力精盅,從上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始,這個(gè)值從大約0.2開(kāi)始不斷提升谜酒。

在核聚變反應(yīng)中叹俏,可利用的能量大約只有1/5,因此如果釋放的熱能可以百分之百地用于發(fā)電和產(chǎn)生磁場(chǎng)僻族,那么Q必須大于5粘驰,消耗的能量和獲得的能量オ平衡。

再考慮到熱能轉(zhuǎn)換成電能鹰贵,電能再轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)有損失晴氨,國(guó)際上公認(rèn)的能量收支平衡點(diǎn)Q必須做到10以上康嘉。

而要使得核聚變發(fā)電具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力碉输,則Q值需要達(dá)到30,因此目前試驗(yàn)階段的核聚變和實(shí)用相去甚遠(yuǎn)亭珍,樂(lè)觀的估計(jì)還需要30到40年的時(shí)間敷钾。

中國(guó)從1990年起,建設(shè)了大型超導(dǎo)托卡馬克裝置肄梨,成為世界上俄阻荒、法、日之后第四個(gè)擁有同類大型裝置的國(guó)家(美國(guó)并未采用磁場(chǎng)技術(shù)众羡,而是采用激光侨赡,稱為慣性約束核聚變)。

中國(guó)的核聚變?cè)O(shè)施

從1998年到2006年,中國(guó)建成了世界上最先進(jìn)的托卡馬克裝置EAST羊壹,電磁場(chǎng)全部靠超導(dǎo)產(chǎn)生蓖宦。在2006年初EAST進(jìn)行了第一次成功的實(shí)驗(yàn),到2013年該裝置能夠持續(xù)工作1000秒油猫,創(chuàng)造了工作時(shí)間最長(zhǎng)的世界紀(jì)錄稠茂。這標(biāo)志著中國(guó)在全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置領(lǐng)域走在了世界前列。中國(guó)有可能在可控核聚變上最早達(dá)到實(shí)用化情妖,如果這個(gè)目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)睬关,這將是中國(guó)自農(nóng)業(yè)文明以來(lái)對(duì)世界最大的貢獻(xiàn)。

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