新智元报道
来源:EurekAlert、BBC 等
编辑:小匀
【新智元导读】7 月 28 日,由美国、俄罗斯、欧盟(包括英国与瑞士)、中国、印度、日本、韩国 35 个国家合作的 ITER 项目正式进入了为期 5 年的组装阶段。ITER 是目前世界上最大的核聚变项目,被媒体称为人造太阳。
核聚变伴随着巨大的能量释放,而且能提供清洁、可靠、无碳排放的能源。人类早在上世纪 50 年代就将其应用于氢弹。然而,与太阳相比,氢弹却是「潘多拉的魔盒」,一旦打开,就会将地球置于危险的境地。
所以,如何有效控制核聚变,让其造福人类,是各国科学家们一直寻求的方案。
小小的核,巨大的威力
在了解核聚变前,我们需要理清粒子之间的关系。
中子+质子=原子核
原子核+电子=原子
电子带负电,质子带正电,中子不带电。因此,原子核是带正电的。
核聚变,就是指两个较轻的原子核结合,形成一个较重的核和一个极轻的核。
光和热来自于太阳的核聚变。在太阳的核心处,氢原子核碰撞,融合成更重的氦原子,并释放出大量能量。
这是太阳与其他恒星的能量来源,也是维持地球生命的能量来源。
20 世纪科学家发现,在实验室环境下,最有效的聚变反应是氘D)和氚T)之间的反应。它们分别是氢H)的两种同位素。DT 反应能在所谓“最低的温度”下产生最高的能量增益。
如果要进行核聚变反应,首先就必须提高物质的温度,使原子核和电子分开,处于这种状态的物质称为“等离子体”。
但是,都带正电的原子核们会互相排斥,所以很难接近彼此。所以,想要发生核聚变,必须保证等离子体的温度增加发生碰撞的可能性)、密度和封闭时间(等离子体很快就会飞散开来,所以必须先将其封闭)。
在太阳里,这些情况都很好满足。那么,在实验室中,该怎么办呢?这就是托卡马克(Tokamak)的厉害之处了。
太阳能做到的,托卡马克也能
太阳利用巨大的引力使等离子体封闭,但在地球上则必须采取别的方法——磁场便是其中一种。当等离子体带电时,电荷被卷在磁力线上,因此只要制造出磁场,就能够将等离子体封闭,使它们悬浮在真空中。
上世纪 50 年代,苏联首次提出托卡马克的概念——磁约束聚变以来,这一直是个广泛的国际合作领域。
近几个月来,为机器组装做准备,巨大的同类零件开始运抵法国-在许多情况下,每个零件重达数百吨,长度超过 15 米。这些零件是世界各地工厂,大学和国家实验室超过 5 年的制造的结晶。
虽然,世界上已有数百个托卡马克被建造出来了,但 ITER 将实现的,是第一个实现自加热等离子体。
要加多热?1.5 亿℃。
怎么加热?
氘和氚被注入托卡马克。所谓电能生磁。通电时,托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,加热直到它们变成等离子体。当等离子体达到 1.5 亿摄氏度时,即发生聚变。
原子聚变产生的能量以热的形式被容器壁吸收。就像传统的发电厂一样,聚变发电厂将利用这些热量产生蒸汽,然后通过涡轮和发电机发电。
35 国合作研制,中国参与了什么?
法国总统埃马纽埃尔·马克龙和来自欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国的领导人宣布一个新的能源时代的开始,世界上最大的核聚变装置在法国南部 ITER 的组装正式开始。
在 ITER 的官网上,我们能够清晰地看到各国的分工。
在所有组件中,中国参与到环向场线圈(左上)、极向场线圈(左下)。
图为中国首批环向场线圈支撑启运
正是由于融合的巨大希望,ITER 项目才诞生:35 个伙伴国家是欧盟(加上英国和瑞士),中国,印度,日本,韩国,俄罗斯和美国。
这些国家/地区占世界人口的 50% 以上,占全球国内生产总值的 80% 以上,已汇集了丰富的专业知识和资源,以制造出首个工业规模的研究融合设备。
法国是东道国。与英国和瑞士组成的欧盟是东道国,提供 ITER 费用的 45%。美国,中国,日本,俄罗斯,印度和韩国的其他每个成员国出资9%。
ITER 托卡马克能提供多少能量?
核聚变的燃料存在于海水和锂中。它足够丰富,可以供给人类数百万年。一个菠萝大小的燃料相当于一万吨煤。
ITER 的工厂将产生大约 500 兆瓦的热能。如果持续运行并与电网相连,这将转化为大约 200 兆瓦的电力,足以供应大约 20 万个家庭。
碳排放量的 70% 以上来自能源使用。超过 80% 的能源消耗来自化石燃料。核聚变发电却是是无碳的。它们不释放 CO2。
法国总统马克龙说:「这显然是对未来的一种信心。历史上最伟大的进步总是源于大胆的赌注,艰难的旅程。」
ITER 计划用 4.5 年组装完成,2025 年进行第一次使用。
参考链接:
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E8%81%9A%E5%8F%98
https://www.iter.org/proj/inafewlines
https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak
http://indico.ictp.it/event/7642/session/23/contribution/105/material/slides/0.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak#ITER