1.2亿摄氏度101秒!中国“人造太阳”创纪录意味着什么?

▲ 5 月 28 日凌晨,在全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)控制大厅,屏幕显示 1.2 亿摄氏度等离子体运行突破 100 秒的瞬间。图片来源:新华社

文 | 张田勘(专栏作家)

5 月 28 日,中科院合肥物质科学研究院有 " 人造太阳 " 之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST),创造了新的世界纪录,成功实现可重复的 1.2 亿摄氏度 101 秒和 1.6 亿摄氏度 20 秒等离子体运行,将 1 亿摄氏度 20 秒的原纪录延长了 5 倍。

中国 " 人造太阳 " 实验刷新世界纪录,意味着人类让核聚变成为取之不竭用之不尽清洁新能源的努力,又取得了一次突破性进展。

▲ 5 月 28 日凌晨,在 EAST 控制大厅,屏幕显示实验进入 10 秒倒计时。图片来源:新华社

核聚变是理想的终极能源

能源是驱动万物运行的根本动力。现今人类使用的能源主要有化石能源(煤、石油、天然气)、风能、水能、太阳能和核能(核电站发电)。但这些能源都存在诸多缺陷,如面临资源枯竭、环境污染、危害健康和生命(核电站事故产生辐射)、受限于气候或地理条件等,因而不能全面和充分满足人类需求。

然而,核聚变产生的能源,既可以充分满足人类需求,又没有污染环境和危害人类、生物的弊端。

据测算,1 升海水中含有的氘,核聚变反应后即可产生 300 升汽油燃烧的能量,生成物也没有危害。因此,核聚变能源被认为是理想的终极能源。

人类生产和生活的各个方面,都可以采用核聚变能源。虽然不是 " 永动机 ",但核聚变可以超长时间地提供能源,不仅可以实现美国漫威超级英雄钢铁侠依靠胸口那个小型反应炉供能,日常生活中的电动汽车、手机等也都用不着充电,就连宇宙飞船都可以拥有无穷无尽的能源遨游太空。

不仅如此,核聚变的产物为氦和中子,不排放有害气体,也不危害生命和健康,有助于让生态和环境保持良好状态,减少地球上的温室效应、酸雨、雾霾。而且,由于原料从海水中就能获得,核聚变能源的获得成本将极为低廉。

▲ 4 月 28 日,在中科院合肥物质科学研究院,工作人员对全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)进行升级改造。图片来源:新华社

实现核聚变发电面临两大难点

核聚变的首要条件,是使燃料处于物质第四态,即等离子体态。等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。在高温状态下,等离子体中的电子获得足够的能量摆脱原子核的束缚,原子核完全裸露,使得核子碰撞和反应成为可能。

当等离子体的温度达到几千万摄氏度甚至数亿摄氏度时,原子核可以克服斥力进行聚合反应。再加上足够的密度和足够长的热能约束时间,核聚变反应就可以稳定地持续进行。

当然,可控核聚变作为一种能源,最重要的指标是能量增益系数,可称为 Q,即聚变产生的能量与维持等离子体所消耗的能量的比值,也就是输出 / 输入。显然,Q 要大于 1,即输出大于输入才能为人们供给能源。

早在 1957 年英国物理学家劳森(John D. Lawson)就提出了一个准则,如果想要 Q 大于 1,等离子体的密度、温度、能量约束时间的乘积(即聚变三重积)应当大于一个定值。

也就是说,要让 " 人造太阳 " 的产能和供能成为现实,必须满足几个条件:要有 1 亿摄氏度以上的高温,要把等离子体长时间约束在有限的空间中,还要有足够高的密度。进一步看,要实现核聚变发电,如何实现上亿摄氏度点火和等离子体稳定长时间约束控制,是尤为困难的两大难点。

现在,中国的研究也正在朝向这个定值发展。中国在 EAST 装置进行的核聚变实验,是通过电磁感应的磁通量变化,将能产生≥ 100 万安培的等离子体电流;持续时间将达到 1000 秒,在高功率加热下温度将超过 1 亿摄氏度。

▲ 4 月 13 日,EAST 在升级改造中。图片来源:新华社

多国都在推进 " 人造太阳 " 计划

由于认识到核聚变是解决人类未来能源的终极目标,因此,国际上核聚变研究既有合作,也有竞争。

合作的标志是,2020 年 7 月 28 日,国际热核聚变实验堆(ITER)计划重大工程安装启动仪式在法国该组织总部举行。ITER 计划由中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方共同实施。

作为聚变能实验堆,ITER 要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达 837 立方米的磁笼中,产生 50 万千瓦的聚变功率,持续时间达 500 秒。50 万千瓦热功率,已经相当于一个小型热电站的水平。

这种磁笼就是全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST),美、韩等国都在进行相关研究。

2020 年 12 月 28 日,韩国超导托卡马克高级研究(KSTAR,称为韩国的 " 人造太阳 ")创造当时新的世界纪录,其离子体在超过 1 亿摄氏度下维持了 20 秒钟。显然,要比中国现在的 1.2 亿摄氏度 101 秒等离子体运行在温度上较低,在时间上也差了 5 倍。

而在更早之前的 2018 年,美国麻省理工学院等离子体科学与核聚变中心,开始设计建造比 ITER 更先进的聚变反应堆 SPARC,意思是最快、最小、民营、实惠、既紧凑又强力的热核聚变装置,比 ITER 反应堆体积缩小数十倍、成本大幅降低。但这一目标能否实现,还有待观察。

现在,中国研究人员实现了 1.2 亿度 101 秒等离子体运行,把 2020 年 EAST 装置物理实验获得的 1 亿度 20 秒的世界纪录提高了 5 倍,说明中国在 EAST 装置综合研究能力上又有了重大突破,也向获得核聚变能源又迈出了重要一步。

未来如果实现 " 人造太阳 " 产能和供能,对于整个人类世界将是比工业革命更能推动社会进步的又一次科技革命。