中国“人造太阳”,人类“不可能任务”的现在进行时

品玩·2022-01-17 10:49
能源危机是人类共同难题

《三体II》中,在从185年的冬眠中醒来的第一天,罗辑因为一只热牛奶的杯子激动不已。 

这个杯子,只需要把底部的一个滑动按钮推到想要的温度上,就能完成加热。杯子的底部与杯子是一体化的,除了那个滑动开关外没有任何东西,包括充电口——杯子如何充电? 

“电?到处都有电啊。”照顾他的护士不以为然。 

难道永动机,这个人类千古梦想的圣物终于被发明出来了?如果人类真的得到了无尽的能量,那他们几乎可以得到一切了——甚至连三体人的威胁都不再是问题。 

不过很快,罗辑就失望了。新的世界里并没有永动机,无所不在的电来源于电磁波,用电设备可以通过天线或电磁共振线圈完成充电。 

现在手机用的“无线充电”还是需要线的。图源Pexels。 

这种技术,我们如今称之为 “无线充电”,一种无论在小说中,还是真实世界里,都并不十分罕见的技术。之所以没有普遍使用,是因为这种供电方式损耗太大,发射到空间中的电能只有一小部分会被接收使用。 

那么,为什么在罗辑冬眠醒来的时代,无线供电所产生的损耗变得可以接受呢?因为 可控核聚变技术成熟了。这种技术可以通过极少的原料产生巨大的能量,几乎相当于一种无限的能源。 

而罗辑的失望之处在于,在他冬眠之前,根据人类的科学水平,掌控可控核聚变就是迟早的事情,现在不过是完成预期,并不像他以为的人类已经突破了三体人的科技封锁:人类确实得到了近乎无尽的能量,但也只是“近乎无限”。 

不过这至少告诉了我们一件事:即使在科幻小说的设定中,也认同 “可控核聚变≈无限能源”——当然,前提是能够掌控它。 

而就在不久前,中国科学院等离子体物理研究所发布了一条核聚变领域的一条突破性消息:EAST全超导托卡马克装置(东方超环)实现了 1056秒的长脉冲高参数等离子体运行, 这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。 

这么一长串数字和专业术语,普通人显然很难理解,可能需要借助别人的解读才能触及重点: 我们已经全面验证了未来核聚变发电的等离子体控制技术,推动其从基础研究向工程应用迈进了一大步(等离子体所所长宋云涛)。 

历史早已明示,凡涉及到能源走向的问题,都不是小问题。可控核聚变的每一个进步,都在拖着人类向着梦幻中的未来前行,一步可跨千里。 

所谓“终极能源”

上世纪末,国际能源署给能源领域的2000个科学家发了一份调查问卷,其中一个问题是“人类的终极能源是什么”。最终,约20%的人写了“可再生能源”,剩下近80%的回答,都是“核聚变”。 

首先来看“可再生能源”。能成为人气第二的终极能源候选人,大概和它取之不尽、清洁无污染的特点关系很大。无法更进一步,主要是因为它能源属性上的缺点: 

①产能效率太低,低到远比不上化石能源。而在“终极能源”的比拼中,化石能源的产能效率是处于鄙视链中下游的。

②过于依赖自然条件(众所周知,有风才会有风能,有太阳才可以收集太阳能,有充沛的水,水电站才能运转),因此无法充当稳定的能量来源。

而核聚变,作为一种能量来源,无论从哪种角度去看,都堪称完美。如果说,世界上存在一种能源可以被称为“终极能源”,甚至被一些人视为“信仰”,它也只可能是核聚变。有人甚至认为,有了它之后,人类不再需要其他任何一种能源。 

核聚变的产能方式和目前世界上产能效率最高的核电站类似,也来自于 “人类可以获得的最大的能量所在”,即将物质转化成能量。至于转化的比值,爱因斯坦早在1905年便指明了:E=mc²(E为能量,m为质量,c为光速)。 

但两者还有微妙的区别:目前现有的核电站的能量均来源于核 变。“聚”和“裂”,这一字之差,也是导致两者在实用效果上差异巨大的终极原因。 

在原子核的尺度上,无论发生裂变还是聚变,当新原子核诞生时,都伴随质量的损失,以及巨量能量的释放。以此为基础,在核裂变的方向上,人类研究出了原子弹,在核聚变的方向上,氢弹得以诞生。 

铀235是铀的三种天然同位素之一,具有放射性,可以发生核分裂,引发连锁核裂变反应,可用作核电及核弹。图源维基百科。 

核裂变的原料,即 放射性元素铀235,在自然界中极其有限,只占天然铀的0.711%。按照目前人类的总体能量需求计算,如果将供能方式都换成核裂变,不到 100年,铀235就会全部用完。 

而核聚变所需的原料,也就是 氢的同位素,大量存在于在海水中。假如把整个大海里所有的氢的同位素都拿过来进行聚变, 产生的能量大概相当于世界石油储量的1000亿倍,可供人类使用几百亿年,这比太阳寿命(50亿年)还高了数倍,是真正用之不竭的能源。 

另一方面,从理论出发,核聚变的质量损失比核裂变更多,因此核聚变的能量转化效率更高。这也是氢弹比原子弹威力更大的原因。相同质量的原料,聚变反应所释放的能量大约是裂变反应的4倍。 

核聚变反应物没有放射性,聚变后的产物阿尔法粒子也没有放射性,所以核聚变 不会造成污染,就算泄露了也没事儿;又因为核聚变反应发生条件的限制(下文会讲到),发生不可控爆炸的概率被视为0。这一切都就意味着核聚变 极其安全——事实上, 拥有核聚变反应研究装置的中国科学院等离子体物理研究所,就稳稳当当得坐落于合肥市。

中国科学院等离子体物理研究所位于合肥市蜀山湖路350号。 

然而,核聚变在人们心中的如此崇高,甚至被视为“信仰”,其实并不只因为它提供了足够多的清洁能源那么简单。 

任何涉及能源走向的问题,都可能影响整个人类的发展进程。一旦掌握了可控核聚变,国家之间围绕能源发生的博弈与激烈摩擦(因石油而起的纷争可太多了)将彻底成为历史;因追求能量造成的环境污染也会消失,生态环境将回归理想状态;更重要的是,它是人类进入下个文明阶段的钥匙。 

举一个简单的例子。因为目前使用的燃料效能太低,火箭为了飞得更远,只能带尽可能多的推进燃料,在比重占到90%及以上时(比如长征七号火箭,总重为500余吨,煤油液氧推进剂就占了400吨),才有可能达到月球、火星或者金星附近,但也基本被限制在太阳系之内。 

从效能的角度来看, 1g氢的同位素完全聚变大约能释放出3.36*e^11焦耳能量,和 8吨左右航空煤油(航空煤油的热值为42MJ/kg)的能量大致相当。也就是说,粗略计算的话,如果使用核聚变供能,长征七号火箭上燃料的重量只需要占到 50g。而飞行器携带极小质量的能源就可以在宇宙中任意翱翔,是宇宙旅行实现的基本要求。 

目前火箭基本都靠化学能产生动力,燃烧剂以煤油、酒精、偏二甲肼、液态氢等为主,然后用液态氧、四氧化二氮等等提供的氧化剂帮助燃烧。图源中国运载火箭技术研究院。 

1964年,苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫提出了一种划分宇宙中文明等级的方法,标准是所掌握的能量的等级: 

I型文明:掌握文明所在行星以及周围卫星能源的总和; 

II型文明:掌握该文明所在的整个恒星系统(太阳系)的能源; 

III型文明:掌握该文明所在的恒星系(银河系)里面所有的能源,并为其所用。 

根据这个标准,很显然,目前人类连I型文明也没达到。而控制核聚变,正是人类触摸宇宙文明门槛的最低要求。 

再退一步看,原始文明以万年为单位,农耕文明以千年为单位,机械文明以百年为单位,信息文明则以十年为单位,每一个文明的成功跃迁,都需要依靠超指数级别的能量和资源供给。如何在现有能源的大规模开采和利用只剩短短百年的前提下,保证文明不发生倒退?目前来看,可控核聚变是唯一的途径。 

电影《流浪地球》中,推动地球流浪的动力便来自1万个核聚变发动机。 

联合世界50%人口的大项目

不过,对于人类而言,作为一种产能方式,核聚变虽然近乎完美,却还是有一个缺点。那就是,实在太难掌控了! 

原子弹试爆成功9年后,人类就掌控了核裂变的能量,并用于发电。而人类自1952年第一颗氢弹试爆成功开始,就踏上了 可控核聚变的研究之路,可直到60多年后的现在,依然无法掌控这种巨大的能量之源。这难道是因为核聚变物理学家没有核裂变研究者们聪明吗?当然不是,实在是因为控制核聚变这件事太难。 

初中物理告诉我们,物质有三态:固态、液态和气态。其实当物质的温度高到一定程度后,就会处于 等离子状态,这时电子会和原子核分开,处于游离状态的原子核就可以互相接近,开始核聚变反应。利用高温产生等离子体,让它们进行核聚变反应,正是目前物理学家想到的可控核聚变的解决方案。 

处于等离子体时,电子和原子核会分开。 

那么,所谓的高温具体要高到什么程度呢?基本要达到 1亿度。1万度是自然界材料可以承受的上限,这种比1万度再高1万倍的极高温度,目前没有任何材料可以直接承受。 

但只是达到高温还不行。在高温的前提下,维持足够长的时间(约束时间),聚变反应放出的能量才能高于产生以及加热等离子体本身等所需的能量,实现聚变自持,也就是点燃了“烧”聚变原料的特殊“炉子”, “聚变点火”成功。 这个过程,网友们生动得称之为“烧开水”。而根据劳森判据,三重积(温度T和约束时间τ跟密度n乘积的函数)的值需要大于 10的22次方,“聚变点火”才能实现。 

什么样材质的“炉子”才能长时间维持1亿度的高温?这简直无法想象。 

不过最终,人们还是找到了一种方法,即托卡马克(Tokamak )装置,一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。Tokamak一词是俄文单词环形(тороидальная)、空腔(камера)、磁(магнитными)和线圈(катушками)的缩写。 

它的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。通电之后,托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,可以将其中的等离子体加热到很高的温度,触发核聚变。 

托卡马克可变配置的圆形内部,它的墙壁上挂满了石墨面砖。图源维基百科。 

从托卡马克的名字,我们也可以猜到,提出这个装置构想的人是苏联人,所以苏联建成了世界上第一个托卡马克装置 T-1(1958年)也就很顺理成章了。 

1965年,苏联正式发表了T-1的第一批实验结果,这本应是个爆炸性的大事件,没想到却遭到了以西方为主导的科学界冷处理。当时美、苏正处于冷战时期,美国核聚变界一股脑扎进了仿星器(一种麻花状的可控核聚变装置)的研究之中,认定所谓的托卡马克以及它可以达到的数据都是苏联的骗局,并不相信。 

1968年,T-1的第二批实验结果出来了,远远好于当时世界上其它所有核聚变研究装置的实验数据。为了证明自己数据的真实性,苏联人邀请了英国科学家独立地诊断、测量参数。没想到,英国人测出来的数据比苏联人自己测出来的还高。 

这开启了聚变研究的托卡马克时代,从此全世界都开始遵循这条道路前行。

上世纪90年代,美欧日先后做了三个大的托卡马克装置(美国1982年建成了TFTR、 欧洲1983年建成了JET、日本1985年建成了JT-60),都能在三五秒钟的时间内维持核聚变反应,且可重复。这意味着,科学上的可行性在实验中得到了验证。 

不过,整体而言,不论是经济投入和科学难度,核聚变研究都是一项难度太高的项目,不是单个国家能独立承担得起的。比如日本1985年4月8日运行的JT-60,就耗资了2300亿日元,这相当于 153亿人民币。注意,这可是人民币购买力还没有缩水的将近40年前的153亿。于是,在核聚变研究领域,人们开始寻求国际合作的可能性。 

当时美苏还在冷战中,但一致认为需要展现一下“大国风范”,双方共同想到的可以合作的项目就是磁约束聚变研究。于是1985年,两国联合欧、日,一起发起了“国际热核聚变实验堆”计划(International Themonuclear Experiment Reactor Project;简称 “ITER计划”) 

ITER的托卡马克装置的小型模型。图源维基百科。 

不过ITER计划启动没几年,苏联自己先遭遇了“裂变”,随后退出了研究。而美国因为经济衰退,以及昔日竞争对手的缺席,以这项研究过于烧钱为由,先是缩减预算,后来干脆也直接退出。反而是一开始在ITER中没那么核心的欧日坚持了下来。 

到2006年,中美同时加入(相差一天)ITER,随后俄韩印也宣布加入,一个全新的“ITER计划”就此诞生。不过,之后因为种种原因,计划又被一再延期,也因此引起了国际上关于“聚变三、五十年就实现”的调侃:30年前就说“聚变三、五十年就实现”,30年过去了还是说“聚变三、五十年就能实现”。 

目前,参与ITER的国家已经超过了三十个。这三十多个国家,人口占了世界一半以上,财富的占比则在80%左右。一个科技项目能联合如何巨大的力量,堪称人类历史上的一个创举。 

ITER目前成员有35个国家。 

ITER也成为本世纪最为雄心勃勃的能源科技合作项目,预期将持续30年:10年用于建设,20年用于运行;预计耗资100多亿欧元,目标是建成一个高30m,直径30m,重2万吨,输出功率50万KW的庞然大物。 

目前,ITER还处于建设阶段。2020年7月28日,ITER 正式进入最后五年组装阶段。截至2021年5月,第一等离子体的完成率接近75%,并将于其后数年开始尝试启动反应堆,预计于2025年正式开始等离子体实验。 

“种太阳”

各国在ITER项目展开合作,同时也都在这个项目的引领下,进行自己国家的核聚变研究。因为核聚变也是太阳的能量来源,核聚变研究装置被称为“人造太阳”,建造这类装置也就有了一个生动的称呼:“种太阳”。 

目前,美国、日本、欧洲、韩国等国都有各自的“太阳”,我国也已经“种”下了自己的太阳。在正式签约加入ITER计划那一年,也就是2006年,我国完成了对“人造太阳”的全新升级——EAST全超导托卡马克装置(东方超环),它同时也是ITER的众多引导装置之一。 

从起步时间来看,我国的受控核聚变研究与国际几乎保持了同步。1955年,钱三强和刚留美归来的李正武等科学家便倡议在我国开展“可控热核反应”研究,以探索核聚变能的和平利用。 

在核聚变博物馆可以看到我国核聚变发展的早期资料,这里也是我国唯一一个对公众开放的核聚变博物馆,位于成都理工大学工程技术学院。图源乐山新闻网。 

1965年,在四川省乐山市郊区建立了当时中国最大的核聚变研究基地,西南物理研究所。上世纪80年代,作家莫然曾造访位于108级石梯之高的荒山上的研究所。她回忆,所里条件简陋,研究者只能睡在帐篷,可谓一贫如洗。 

不过直到90年代,我国才有机会发展自己的托卡马克。“上世纪90年代,在前苏联解体之前,苏联人打算把一个T-7的半超导装置赠送给其他国家,然后他们自己做一个更大的。我们的老所长霍裕平对苏联专家说,那就送给我们吧。最终,我们用价值400万人民币的生活物资,换了前苏联价值1800万卢布的T-7装置。”中国工程院院士、中国人造太阳项目的学术带头人之一李建刚回忆道。 

《中国经济大讲堂》栏目视频截图。 

借由苏联人的装置,我国开始了托卡马克的研究,并开始自主设计、建造、运行核聚变实验研究装置。此后,我国的核聚变研究突飞猛进,也培养了一大批自己的核聚变人才。在此基础上,才有了2006年的东方超环。 

我国核聚变领域的飞速发展正是世界核聚变研究的一个缩影。近些年,磁约束核聚变领域一直处于飞速发展中,基本每18个月,三重积就会翻一倍。这个速度比芯片行业每两年翻一倍的摩尔定律还要快,但却完全没有芯片行业高速发展的既视感——在指数级的数据差面前,再快的速度也如爬行。 

那么,现在核聚变领域具体已经做到了什么地步呢? 

目前温度达到上亿度已经没有问题,极短时间内,最高温度甚至能达到3亿度~4亿度。但一项技术如果想要商用,只是达到某个标准还不行,还需要看能耗比,即Q值(产生能量和消耗能量的比值)。 

核聚变反应产生的能量大约有1/5可以利用,也就是说,Q值必须大于5,消耗的能量和获得的能量才平衡。再考虑到能量形式转换间的过程损失,国际上公认的能量收支平衡点必须达到10以上。而要使得核聚变发电具有商业竞争力,则Q值需要达到30甚至以上。 

目前,核聚变装置输出功率的世界纪录是16兆瓦,大致和一个小型发电站的功率相当。但是为了达成16兆瓦的输出,维持磁场用掉的功率要将近680兆瓦。算起来,这笔买卖实在是太亏了。 

怎么样才能让它消耗尽可能少呢?在导体中,消耗的功率等于电流的平方与电阻的乘积。而当温度降到零下269度,导体会进入超导状态,阻力也就消失了,可以最大限度降低消耗的功率。 

所以从工程可行性上讲,做超导是一个必需的阶段。于是在2000年,我国为托卡马克研究装置升级时,就选择了这种组合。历时6年建成的东方超环是超导体和托卡马克的结合体,这也是世界上第一个诞生的全超导托卡马克装置,首次将零下269度和上亿度的东西放在一起进行核聚变研究。 

但是,怎样才能兼容零下269度和上亿度这两种如此极端的温度? 

东方超环的解决方式是设置了五层保温层,每层都进行了特殊处理,使用真空室、内外冷屏、外真空杜瓦等进行隔热和降温。最核心的温度达到上亿度,在真空的隔断后,外侧的温度只有几千度。这个温度,一些特殊材料就可以承受了。接着从几千度到零下两百度,再从零下两百度到零下269度,这样层层过渡,就实现了上亿度到零下269度的有机结合。 

EAST主要部件示意图。图源中国科学院等离子体物理研究所官网。 

而在投入巨大人力物力推进可控核聚变的进程中,受惠的其实不仅是核聚变领域。比如,在此期间,我国的制造业就实现了飞跃。 

以承接了“ITER磁场线圈超导线材”中国采购包任务的西部超导材料科技股份有限公司(简称“西部超导”)为例,这个公司“ 不仅以高质量(按照ITER国际标准)按时完成了任务,而且几乎再造了我国的超导工业:从一个几十年才生产了三十几公斤超导材料的事业单位,发展成一个年产几百吨的国际一流超导材料企业。不仅为聚变做出了贡献,而且为我国加速器制造、核磁共振装置制造等先进制造业提供了支撑(哈尔滨工业大学物理系教授王晓刚)”。 

医院里的核磁共振是使用超导技术做成的,之前的超导线材都从国外进口,现在大部分都是国内自己的企业在做,其中将近一半就出自西部超导。而欧盟在ITER的项目中承担的磁场线圈超导材料的招标项目,中标的也是中国。值得一提的是,期间,中、美、日都参与了招标,中国的报价也并不低,甚至比以高价著称的日本还高了不少,也就是说,它纯粹是因技术以及施工质量取胜的。 

“种下”的太阳什么时候熟?

最后还是回到核聚变。 

因为现在核聚变领域三重积与“点火”之间的目标差距依然是指数级,单纯追求三重积没有多大意义,所以世界范围内的核聚变研究都在追求单项能力的爬升。这像升级打怪一样,完善各项自能力之后,才能在终极之战中打倒BOSS。 

目前数据上表现不错的核反应装置有: 

欧洲JET:托卡马克Q值的世界纪录 0.67的保持者,记录诞生于 1997年。 

日本JT-60:等离子体温度世界纪录的保持者—— 5.22亿°C。 

1997年12月,日本声称在JT-60上实现了Q值1.25,三重积达到1.5×10^21,但是不可重复,而且其中发生聚合的是条件较苛刻、效能较低的D-D反应(国际可控核聚变研究的主流是D-T反应),这也导致这次数据的价值大打折扣,因此大部分人认定的托卡马克Q值记录依然是欧洲JET的0.67。 

JT-60于2010年被拆卸,在此基础上升级的JT-60SA(超导型托卡马克)还在建设中。 

韩国KSTAR:2020年11月23日,韩国聚变能研究所宣布KSTAR将等离子体在高达 1亿度的高温下维持了 20秒钟,创造了当时的世界纪录。 

美国NIF:2021年8月8日,美国NIF的激光脉冲(1.9兆焦)引发了燃料丸的核聚变爆炸,虽然只持续了100亿分之一秒,依然产生了超过1.3兆焦的能量,是NIF过去制造能量的8倍。 

我国的“人造太阳”装置不止一个。2020年12月4日,新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成。图源新华网。 

中国EAST 最近两年一直在破纪录): 

2020年4月,东方超环在 1亿度的高温下维持了近 10秒。7个月后,这一记录被韩国的KSTAR打破。 

2021年5月28日,东方超环实现了 可重复1.2亿度101秒等离子体运行和 1.6亿度20秒等离子体运行。 

2021年12月30日,实现1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行。 

想要了解这些数据的意义,可以与东方超环最初设置的目标做个对比: 

通过极向场超导磁体,可以产生超过 100万安培的等离子体电流、在高功率加热下温度超过 1亿摄氏度、持续达 1000秒。 

为什么时间要设置为1000秒?因为“大约所有的反应在持续时间达到100秒的时候就基本稳定了,而从科学家的尺度说,将这个时间尺度再拉长10倍,就达到了稳态”。 

此轮实验从2021年12月初开始,目前还在持续,预计到2022年6月结束,接下来的半年,它极有可能还会有更具突破性的数据表现。仅截止目前,东方超环已经分别实现了 100万安培1.6亿度1056秒等条件下的等离子体运行。 

此时,重读文章开头中科院等离子体所所长宋云涛的话,我们可能有更深的体会:我们已经 全面验证了未来 核聚变发电等离子体控制技术,推动其从基础研究向工程应用迈进了一大步。 

当然,这并不意味着,核聚变的商用一定会在“三、五十年”内实现。但至少,当我们在讨论核聚变参与人类未来的可能性时,多了一些确定性。 

中国磁约束聚变发展路线图,来源:中国工程院院刊。 

*参考资料:

《EAST装置实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行》

《中国经济大讲堂》 20210516

《聚变60年》

吴军《全球科技通史》

https://www.iter.org/

https://lasers.llnl.gov/news

本文来自微信公众号 “品玩”(ID:pinwancool),作者,白宁,36氪经授权发布。

+1
14

好文章,需要你的鼓励

参与评论
评论千万条,友善第一条
后参与讨论
提交评论0/1000

下一篇

对于巨头企业而言,激活内部创新不是一件容易的事儿。

2022-01-17

36氪APP让一部分人先看到未来
36氪
鲸准
氪空间

推送和解读前沿、有料的科技创投资讯

一级市场金融信息和系统服务提供商

聚焦全球优秀创业者,项目融资率接近97%,领跑行业