如何看待中国人造太阳「东方超环」1 亿摄氏度运行近 10 秒?

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如何看待中国人造太阳「东方超环」1 亿摄氏度运行近 10 秒?中国科普博览,我们科学家有话说
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距离“50 年”又近了一步?(手动狗头)

这确实是 2018 年的旧闻。

人造太阳 受控的核聚变装置

大家都知道太阳,但什么是人造太阳?看过钢铁侠的人都知道,钢铁侠里面有一个人造太阳叫托卡马克,像一个磁线圈一样。如果把气体加热到上亿度,它就会发生聚变,可以像太阳一样发出巨大的能量。

如果是现实版的托卡马克的话,中国有两个人造太阳,一个在合肥,另一个在成都,分别叫合肥超环和中国的环流器 1 号

太阳为人类产生了很多光和热,万物生长靠太阳。我们想要实现聚变,一个不可控因素就是氢弹。氢弹不能轻易地爆炸,要用原子弹去把它点一下,点到上亿度以后才有可能发生爆炸。

为什么要人造一个太阳?

那么怎样能够实现人造太阳?要把上亿度的温度装到任何容器上都会顷刻之间烟消云灭。于是科学家就想了一个办法:把一团火球——上亿度的等离子体,用磁的方法把它悬浮起来,跟周边的任何容器材料不接触,这个时候就可以把它加热、控制,进而造出太阳。它的模样就像你们吃的甜圈圈。

用这些非常复杂的仪器把上亿度的东西放在中间持续地加热,讲讲很容易,但实际操作非常难。

首先我们需要巨大的磁场,这个磁场要比地球南北级的磁场高两万倍以上,磁场越强越容易收得住。人类之所以没有遭到来自太阳风这种粒子的损害,主要就是靠磁场把这种带电粒子无形之间屏蔽起来。

所以现在要做的就是产生比地球高上万倍的磁场,让这团气体悬浮起来。用的燃料是什么?是海水里面氢的同位素——氘和氚。海水里面的氘有多少呢?它可以让一千个电站使用上百亿年,也就是说该资源是无限的。如果用爱因斯坦的公式计算的话,一杯水里面产生的氘和氚是 E=mc2 ,相当于 300 公升汽油。

它的好处在哪里?首先它没有高放的废料,而我们现在用的裂变电站都是化石燃料,尤其是 235,238。一旦发生事故,就会有长达上百万年的放射性废料。

聚变的产物是什么?就是能源中子和氦气。氦气是非常清洁的,当年习总书记实地参观时就问:为什么说聚变是固有的安全性?那时候距离福岛发生核事故刚刚一个月。

它导致事故的概率非常小,只有同时碰到地震和海啸才有可能发生,或许上万年才会出现一次。但现实中最有可能发生的不是这个,而是恐怖分子——可能恐怖分子开个飞机就把它炸了,但聚变电站不怕,因为它聚变的产物就是氦气,只要一停机就没有了。

总结一下,作为资源来讲,它是无限的同时又是清洁的,所以长期以来被科学家认为是未来人类终极能源之一,可以大规模生产。未来可能有 20%的可再生能源,但最大规模的一块,即 80%一定是靠聚变来维持的。

这个太阳怎么造?

一个一百万千瓦的电站,上海一年大约只需要两个。聚变电站需要多少东西呢?一年一个电站只需要一百公斤的重水和锂;如果换成煤电站的话,一个一百万千瓦的电站需要 50 万吨煤;如果是核电站的话就需要 30 吨。

如何看待中国人造太阳「东方超环」1 亿摄氏度运行近 10 秒?

这就是聚变电站的原理。首先你要有磁笼子,用它形成一个等离子体,再用非常高的温度把它加热到上亿度,加热到上亿度以后就会产生氦和中子,中子就跑到包层材料里进行加热。加热以后,我们通过水把它转换成蒸汽,再通过蒸汽把电给发出去。这就是一个简单的聚变发电原理

人类在这个方向一共做了 50 年,进展还是挺大的。我们知道,计算机每 1.8 年 CPU 的速度翻一倍,而聚变的发展速度基本上能做到跟它一样快,甚至比它快两个月,差不多 16~17 个月左右的时间,它的综合参数也能够翻一倍。

聚变最大的问题就是离实现还很遥远,没有像计算机这样家喻户晓。但可以说,聚变在过去 50 年中已经发展得非常非常快了。几个代表性的成就是在一些发达国家,像美国、欧洲和日本,他们在一些大装置上都同时实现了可控的核聚变。

什么叫可控的?就是跟人没有关系。科学就是可重复,不管是谁去做都是同样的结果,跟仪器没有关系。只要是一样的仪器,美国的人造太阳、欧洲的人造太阳还有日本的人造太阳,结果都是一样地可重复,这就是科学。

我国做到了输出的能量和输入的能量之比等于 1.25,即已经有了净输入。这是什么意思?就是说从科学上已经验证了这是可行的,但是工程上可不可行还不知道。

我们产生的磁笼子是用常规铜线做的,消耗了大量的能量。怎么才能不消耗能量呢?如果把温度降下来,一旦电阻等于 0 的话,消耗的能量顷刻之间就降到 0,那么我们就非常容易地拿到了聚变能量。

说起来容易做起来难。我国很多年前就开始做聚变了。托卡马克不是中国人的发明,是苏联人的发明,他们概在 1989 年的时候有意把一套马克装置送给中国。当时我们所长说这是一个很好的机会,因为当时我们啥都不会。于是就用 400 万人民币的羽绒、瓷器、中国家具换来了一个 1800 万卢布的装置。

当时这个装置还是比较好的。为什么?因为在那时候,一个卢布相当于 3.6 美元,我们花了一年半的时间把它全部拆掉,又花了两年的时间把它装起来,在这上面做了大量的实验,应该说还不错。其他国家在这个装置上面都只能做几秒钟高温,而我们最多能做到 60 秒钟一千万度,因此成为了全国的十大新闻。

但是这还不行,还不能够做到所有线圈的电阻都等于 0,这时候我们就要做超导。什么叫超导呢?就是要把上亿度磁笼子的一团火球悬浮在 -269℃的圈子里面。想想看,等于说有两个极端,一个温度在  K 以上——一亿度以上,另一个温度是非常冷的,4K,也就是零下 269℃。这个是非常难的。

其次,一旦发生聚变的时候——比如氢弹爆炸,只要它发生爆炸的时候就会有强烈的冲击波,它跟周边材料(就是悬浮起来的也不行)发生强相互作用,所以控制要非常精确,精确到零点几个毫米和零点几个毫秒以下,否则只要一偏心,它就碰到什么烧什么。

这件事真是难,难于上青天。为什么?因为美国人在 60 年代已经上了天、登了月,但是他们到现在也没有做出一个能够真正发电的人造太阳。

从能源的需求来讲,中国比任何一个国家都需要能源。尽管我们相比来说很穷,但是我国几任国家领导人都觉得这件事中国人一定要做。90 年代初我们提出这个想法,在全世界率先做一个全超导的托卡马克叫东方超环,能够长时间地做到上亿度,比太阳心部的温度还要高五六倍!

在九五的大工程的国内一百多个提议中,该提议终于胜出,然后我们就开始做这样的装置。做这个装置,第一就是要解决上亿度和零下 269 度的矛盾。江泽民同志到我们所里去的时候,他也问了这么一个问题。

解决上亿度和零下 269 度,很多技术必须要用在一起。首先,真正的上亿度的高温要用磁场把它悬浮起来,就是超导,上面全部是线圈。悬浮在中间以后,等离子那里有个火球——蜘蛛侠那个球,温度越高它越要到处跑。比如太阳,因为温度高,所以太阳黑子来了。跑的过程中一定要想办法控制住,让它一定悬浮在中间,不能够上下跑。在不乱跑的情况下,才不会把材料烧坏。

除此之外,能量的损失靠传导、对流和辐射。最小辐射损失就是全部用真空,用五层真空实现了一亿度和零下 269 度的结合。

在此之前全世界没有人做过,因此所有的东西都需要我们自己做。当时国内的经济不像现在这么好,万元熙院士带领整个团队做了整整十年,突破了很多难点,终于在 2006 年得到了等离子体,大概几百万度,但是它只有几秒钟时间。

我们想要实现的目标不只是几百万度几秒钟,我们想做得更长。难度在哪里?材料!做聚变,几乎都要用到当今地球上所有材料、技术的极致。比如说,其中要采取的材料是一种最硬的合金——钨合金。在这个空间里,我们要加上上亿的温度让它悬起来,同时还要防止冲击波。只要有冲击波的强放射,就要赶快把它拿走、抽走。这里用的大抽速是零下 269 度的低温棒。

中国聚变之路

有了装置以后,我们就觉得应该去做一个更大的事情——验证工程的可行性。

大约在 1985 年,尽管是冷战的时候,里根和戈尔巴乔夫也谈了一件象征着人类美好前景的事情——在地球上建一个人造太阳。这个人造太阳是 50 万千瓦,跟现在的发电站差不多。

谈判确定一共有七方参加,欧盟占最大一块 45%,其他的六方——中国、日本、美国、韩国、印度各占 9%,共出资 100 亿欧元,要在法国 Cadarache(卡达拉舍)建世界第一个真正意义上的人造太阳,叫国际热核聚变实验堆 ITER。它要运行 20 年,即需要能够在大规模的、几十万千瓦的基础上运行很长时间。这就是要验证聚变的工程可行性。到底规模有没有这么大,这么大的规模以后行不行?这里牵扯到特别多的技术。这是中国参加的一个最大的国际合作项目,价钱是 100 亿欧元,其中中国占 9%,也是 9 亿欧元,这是一个很大的数字。

首先它要形成的磁笼一共有 18 段,像橘子瓣一样。这是什么概念?波音 747 重量 370 吨,这一个线圈在 360 吨左右;价钱也是差不多的,波音 747 是 2.6 亿美元,这大概是 2.8 亿欧元。

我们国家在参加 ITER 之前是生产短样的。绕这么一个线圈,里面要将近十万米导线,重 150 吨。我们国家在参加这个国际合作之前,四十年之间只产生了 36 公斤短样。

ITER 使得国内的企业发展得非常好,已经形成了全世界最先进的技术,规模和产量也是最大的。西安的有色金属研究院、西部超导公司现在一年可以生产 150 吨;除此之外,国内的核磁共振、GE 的所有线几乎超过一半都是 ITER 的材料在供应;还有我国航母的歼 15 的起落架,飞机落地的一刹那冲击力非常大,所以对材料的要求非常之高,用 ITER 上面的材料终于解决了航母的起落架的问题。这是第一个例子。

如何看待中国人造太阳「东方超环」1 亿摄氏度运行近 10 秒?

第二个例子。刚才说的上亿度的东西的第一层屏蔽叫核导,长得像多脚的怪兽一样。它有多重?一百年前的埃菲尔铁塔是 7300 吨,而这个有 8000 吨,所以这个材料要难得多。这是一种特殊的不锈钢,它首先要降到零下 269 度,同时它要耐强辐射,我们国家在参加 ITER 之前从来没有生产过。参加 ITER 之后,通过跟国际合作,山西太钢现在可以年产 15000 吨,得到了很大的发展。

尽管聚变能离我们还是很遥远,但是通过国际合作,中间产生的过程和技术都能够非常好地用在国民经济上。

未来中国的聚变到底怎么做?

未来中国的聚变到底怎么做?咱们的聚变到底什么时候才能实现?

我们现在正在做实验装置、参加 ITER,但是希望十年以后能建造中国自己的工程堆,这样才能够验证发电。有了这个东西以后,在 50 年到 60 年之间就能商用化。

如何看待中国人造太阳「东方超环」1 亿摄氏度运行近 10 秒?

这是我们设计的中国工程聚变堆,里面有一个主机装置。这个设计象征着大鹏展翅腾飞,象征着人类追求聚变的梦想,象征中华民族腾飞的梦想。

经过二三十年的努力,真正的人造太阳会冉冉升起,对中国来讲,聚变的需求比任何一个国家都急迫。

1982 年我到了合肥的一座非常偏僻的岛上——董铺岛,一做就是 34 年。非常有幸,作为一个中国的科学家,每一任领导都到过现场,这给了我们很高的鼓励,也包括俄罗斯的总理,他们都说过同样一句话——中国需要能源,中国一定要在人类实现这种聚变的路上起到不可取代的作用。

50 年前,人类就有个梦想——希望实现人造太阳。上大学的时候,我也有这个梦想。我希望在有生之年能够做出人造太阳,让没有被文明照亮的地方被聚变能点亮。

以上回答整理自中国工程院院士李建刚在 SELF 格致论道讲坛的演讲。

出品:SELF 格致论道

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