中國東風(fēng)反應(yīng)堆樹立新的核聚變里程碑

中國的HT-7U反應(yīng)堆，被稱為EAST（實驗先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克），幾周前成為媒體關(guān)注的主題，創(chuàng)造了新的聚變記錄。從核聚變到能源生產(chǎn)的道路仍然漫長而曲折，但地球上眾多實驗取得的微小進(jìn)展是關(guān)鍵的第一步。

從航空航天到物理學(xué)，中國在各個領(lǐng)域都取得了重大進(jìn)展。此外，中國希望在核聚變物理學(xué)領(lǐng)域取得進(jìn)展。據(jù)新華社報道，EAST反應(yīng)堆能夠使等離子體在高溫下保持穩(wěn)定1056秒（17.6分鐘）。這比去年年中創(chuàng)下的 101 秒記錄有了顯著提高。它的工作原理是氘，氘是一種在自然界中大量發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定氫同位素。

在中國東部安徽省省會合肥進(jìn)行的實驗由中國科學(xué)院等離子體物理研究所（ASIPP）研究員龔顯祖指導(dǎo)。有關(guān)更多詳細(xì)信息，我建議閱讀這篇文章。

托卡馬克

實驗先進(jìn)的超導(dǎo)托卡馬克是位于中國合肥 (EAST) 的核聚變反應(yīng)堆之一。它是一種托卡馬克或“甜甜圈”結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生高溫等離子體，該等離子體由在零以下數(shù)百度運行的強(qiáng)大電磁體控制。

磁性線圈纏繞在甜甜圈周圍，以保持等離子體懸浮并遠(yuǎn)離管的內(nèi)壁。該設(shè)計的目的是使機(jī)器達(dá)到適合受控?zé)岷司圩冞^程的溫度，該過程涉及將輕原子核融合在一起并提取產(chǎn)生的能量。

據(jù)EAST研究人員介紹，該實驗設(shè)備目前已完成三個目標(biāo)：運行周期超過1000秒，溫度達(dá)到1.6億度，電流達(dá)到100萬安培。12 月 30 日，第一個進(jìn)球被打進(jìn)，將之前 101 秒的紀(jì)錄打破了 10 倍。

到 5 月，該反應(yīng)堆已達(dá)到新的溫度記錄（1.6 億攝氏度），超過太陽溫度約 10 倍。12 月 30 日，它能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)時間記錄，保持高溫等離子體（約 7000 萬攝氏度）連續(xù)運行 1056 秒，即 17.6 分鐘。

啟動核聚變過程需要數(shù)億度的溫度，但還不夠。實現(xiàn)可接受的等離子體密度和足夠長的限制期是另外兩個關(guān)鍵要求。元素的原子核（正電荷）必須靠得足夠近，才能使強(qiáng)核力克服庫侖勢壘的排斥力。適當(dāng)?shù)牡入x子體條件可以通過由于等離子體加熱而增加壓力來實現(xiàn)。要達(dá)到這樣的壓力和密度水平，需要數(shù)千萬或數(shù)億度的溫度。

事態(tài)發(fā)展

EAST 的最終目標(biāo)是通過利用海洋中豐富的氘提供源源不斷的清潔能源，以與太陽相同的方式實現(xiàn)核聚變。

與煤炭、石油和天然氣等有限且對環(huán)境構(gòu)成威脅的化石燃料不同，“人造太陽”所需的原始元素在地球上幾乎是無限的。因此，聚變能源被視為人類未來的完美“終極能源”。

核聚變需要天文數(shù)字般的高溫。就太陽而言，1500 萬度就足夠了，因為它還承受著難以置信的高壓。這種點火能量在嚴(yán)酷的溫度下是物理上可行的，而不是在表面上的過度壓力下。要在反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生聚變，所需的“幻數(shù)”大約是 1 億攝氏度。

由于核聚變至關(guān)重要，這些類型的測試有望在幾十年內(nèi)產(chǎn)生大量能量。核反應(yīng)的主要問題，也是該技術(shù)發(fā)展的主要對手，是高溫的管理。根本問題是等離子體限制：因為沒有可以承受這些極端溫度的天然“容器”，所以必須采用另一種技術(shù)，即磁限制。磁約束需要使粒子圍繞場的力線旋轉(zhuǎn)，使它們遠(yuǎn)離容器壁并防止它們被破壞。

幾個主要國家正在領(lǐng)導(dǎo)核聚變能發(fā)電的科學(xué)研究。其中包括美國、中國、俄羅斯、印度、韓國、日本和歐盟。聚變?yōu)槿祟愡^渡到后碳未來帶來了巨大的希望。首先，這些只是承諾：核聚變技術(shù)預(yù)計將在 2050 年之前可用。這是我們希望生活的三分之一的時間，三十年的研究、成功和失敗，以及科學(xué)家的整個職業(yè)生涯為這項事業(yè)獻(xiàn)出了自己的一生。

審核編輯 黃昊宇