新一代“人造太阳”有多牛

能源,是宇宙诞生的根本,是一切物质存在活动的基础,没有能源一切将会被寒冷、死寂吞噬。爱因斯坦也告诉了我们,物质其实就是能量的一种表现形式;因此我们现在能看到的所有物质的存在、运动其实都是能量存在或者转化的过程。因此人类一直都是追求更高、无限且清洁的能源,有了这样的能源,我们就可以制造出更多的东西,可以实现更快的旅行速度,甚至是实现星际旅行、星际穿越。

那么人类想要找到的能源圣杯是什么?它在哪里?其实这个能源圣杯一直都伴随着我们,它就是天上的太阳,太阳发光发热的方式就是我们现在人人所知的核聚变反应,但是人类想要自己亲手掌握核聚变反应却很困难。因为对于太阳来说,它所包含的质量非常巨大,有30万个地球,其中包括了10^57个质子,而且更为可怕的是,其中10%的质子都被引力限制在了太阳非常小的核心内。你想想这样的压力和密度,就在太阳的核心处创造了1500万摄氏度的高温,其中的质子运动速度和光速接近,它们发生碰撞的时候就会打破电势壁垒(当然也有量子隧穿的效应),实现质子与质子之间的融合。

两个质子在融合以后,它们的质量就会发生非常小的亏损,四个质子绑在一起,其中两个质子通过β+衰变转变为中子,就变成了一个氦核。四个质子到氦核的过程,质量会就亏损掉大约7%,并且带来2800万电子伏特的能量,这个反应释放的能量是化学反应远远所不能及的。例如将一个电子绑定在原子核的周围(化学反应),才能释放几个电子伏特的能量,而将一个质子绑进原子核(核聚变反应)中释放的能量是化学反应的几百万倍。

更加恐怖的是,在太阳的核心内部,每一秒中就会有大约4×10^38个质子被绑成了一个氦核。这损失的质量将达到数百万吨,如此大的能量亏损使得太阳的输出功率达到了4×10^26瓦。这个功率是啥概念呢?它比地球上现在最大的核电站满负荷运行的功率要大10^16。总是是一个非常恐怖的数字。而且太阳以核聚变产生能量的方式没有任何的污染,我们没见过太阳冒烟吧,而且它所形成的聚变产物都是氢元素,例如氦、碳、氮、氧等等。这些元素对生命、环境没有任何危害,而且还是有利的元素。

所以说我们头顶的太阳其实就是人类未来能源的圣杯,其实人类在掌握核反应原理以后,尤其是上世纪当原子弹和氢弹爆炸以后,就认识到了这一点。而且一直以来我们人类都想亲手和平利用核能来进行发电。我们目前已经掌握了核裂变发电技术,并且已经将其商用。核裂变释放能量的原理其实跟太阳聚变是一样的,只不过裂变是聚变的逆向过程,也就是将自然形成的重元素原子核通过中子轰击将其裂变为质量更低的原子核,这个过程也会发生质量亏损并释放能量。那么人类已经掌握了核裂变,为何还要执着于核聚变呢?

最大的原因有两点,首先核裂变的原材料是不可再生资源,而且获取非常困难,在加工过程中还有放射性危害。其次就是核裂变,并非彻底的清洁能源,其生成的产物一般是一些具有放射性的元素,对人体和环境都有危害。而核聚变就没有以上的担忧,原材料氘和氚这两种氢的同位素,在海洋里储量非常大,可以认为是取之不尽用之不竭的。而且核聚变的产物像上文所说的,跟太阳一样,没有任何的危害。甚至是吃进人体也没有任何问题。这就是为何人类一直执着于核聚变的原因。但是想要实现核聚变谈何容易?

你可能会想,氢弹不就是核聚变吗?人类不是实现了!确实氢弹就是将氘氚剧变后释放能量,但是这个过程是失控的,而且实现还需要原子弹差生的高温、高压来点火。所以这样失控的能量释放过程只能用来做炸弹,不适合民用。所以人类的目的是掌握可控核聚变,也就是让氘和氚的剧变缓慢的进行,并且温和的释放能量,用来发电。这就非常困难了,因为我们要在地球上模拟太阳核心的环境,而且还要对环境进行控制,不让核聚变失控,发生爆炸。这让很多科学家都望而却步,认为不可能实现可控核聚变。也让很多的国家放弃了核聚变的想法,认为就是天方夜谭,人类竟然想自己制造太阳,简直不自量力。

但是还是有人愿意相信这个梦想可以实现,其中就包括我国的科学家,就在最近我国的新一代的人造太阳,环流器二号M装置成功实现点火,并且放电。核心温度达到了1.5亿摄氏度。这个温度比太阳内部的温度还要高,那么是不是就已经彻底掌握了核聚变呢?其实并不是的,核聚变和核裂变的区别在于核聚变想要进行首先就需要输入大量的能量,首先将原材料电离,形成等离子体。等离子体的温度不仅要达到一定的要求,而且密度也要非常大,例如太阳核心的密度是固体铅的许多倍,所以它的温度只要1500万摄氏度就可以实现核聚变;

而比太阳小的恒星,只要它们的质量在8%太阳质量以上,核心温度达到400万摄氏度以上就能实现核聚变。但是人类想要将等离子体的密度实现和恒星内部同等级显然是不可能的,因此只有通过更高的温度,达到一亿多摄氏度才有望实现核聚变反应。接下来的问题就是用什么东西给原材料加温?科学家使用的是激光,它可以满足这样的温度。但是这又会产生一个新的问题。如此高的温度,核聚变要在哪里发生呢?1.5亿摄氏度的高温是人类现有所有材料都无法承受的,任何原子遇见这个的温度都会瞬间被电离。

所以科学家就想到了一个非常巧妙的办法,反应材料被电离成等离子体以后就会带电,而带电离子在磁场中运动就会受到指向中心的洛伦磁力,所以我们可以利用磁场,把高速运动的带电粒子舒服在一个环形跑道内。使得带电粒子既保持一定的密度,又能保证高温,而且不会触碰到容器壁,对容器造成损坏。这个装置其实也叫托卡马克,是磁约束核聚变反应。由于它有一个真空的环形跑道,因此我国的磁约束核聚变装置也叫环流器2号M装置。我国现在的核聚变反应已经走在了世界的前列,拥有着绝对的实力,这次的环流器2号M装置成功发电使得我们拥有了自主建造、设计、运行核聚变反应堆的能力,达到了世界领先水平。

不过我们需要知道的是,放电并不代表发电,发电只能说明初步实现了点火运行,以及高温等离子体的聚变;但是现在仍有两个问题没有解决,这两个问题现在依然是世界难题。首先就是核聚变的盈亏平衡,上文说了要想实现核聚变就需要先对反应材料加热点火,而且需要使用强大的磁场将带电粒子约束在环形跑道中,能量输入非常巨大;而现在的困境是,等离子体实现的聚变释放能量还没有输入的能量大,也就是说,我们本来想用核聚变发现,没现到我们为了运行核聚变装置,竟然还要多给它输入能量;

这就是盈亏平衡点的难题,也是世界难题,同样我们也没有解决这个难题。如果有一天核反应装置可以自持,也就是自己产生的能量可以维持自己的运作,那这也是一项可以令全世界炸锅的突破。另外一个问题是当人类突破了盈亏平衡点以后,我们如何利用核聚变产生的能量来发电,这就需要一套跟核裂变不一样的配套设施。所以说,核聚变这个能源的圣杯现在虽然还没有被我们完全握在手中,但是可以肯定的是,我国已经摸到了圣杯的一角。尤其是这次的重大突破,可以让我们肯定,未来我们可能会率先举起圣杯。

来源:头条 原作者:中国新闻

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山与海

山与海

擅长 历史 文章的撰写

男,汉族,中共党员,大学程度,法院人民陪审员。上海电视台长宁中心记者,编辑,责任编辑,社区万花筒栏目导演,上海电视台、解放日报社会新闻一等奖,三等奖。

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