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中国为何要“人造太阳”?中国工程院院士李建刚详释—— 这是可能永久解决能源问题的黑科技

来源:咸宁新闻网 时间:2018-11-16 10:03

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《我国“人造太阳”实现1亿℃运行》的消息近日见报后,引发世  人关注。很多人好奇为什么要“造太阳”?这个“太阳”要怎么才能  造出来?上亿℃!比太阳中心的温度还要高五六倍,足以消融一  切,那么要如何存放?又如何加以利用?而对于急需要能源的发  展中的中国,这种“可能永久解决能源问题”的核聚变清洁能源,离  实现商用还有多远?  

这里和大家分享中国工程院院士、中科院等离子体物理研究  所研究员李建刚在中国科学院举办的 SELF 格致论道讲坛上对  “人造太阳”之路的介绍和展望,从中可以更多了解这个“黑科技”  将给我们带来什么。

人造一个“太阳”有何好处?  

它将是未来人类终极能源之一,可以大规模生产

太阳为人类产生了很多光和热,万物  生长靠太阳。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,片中的钢  铁侠胸口就有一个“人造太阳”,这个名为  托卡马克的能源装置,看着像一个磁线圈  一样,其实是一种核聚变反应装置。简单  地说,如果把气体加热到上亿℃,它就会发  生聚变,可以像太阳一样发出巨大的能量。  

目前要实现人造太阳,就需要实现聚  变。聚变的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,让它达到上亿℃以后才有可能发生  爆炸。  

但是,温度一旦达到上亿℃,任何容器都  会顷刻之间烟消云灭。于是科学家想了一个  办法:把一团火球——上亿℃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”,它的模样就像我们吃  的甜圈圈。  

用这些非常复杂的仪器把上亿℃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2万倍以上,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。  

所以科学家们所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,一旦发生事故,就会有长达上百万年  的放射性废料。而聚变的产物就是能源中  子和氦气。氦气是非常清洁的,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。聚变电站甚至也不用害怕会  有恐怖分子开个飞机就来把它炸了,因为它  聚变的产物就是氦气,只要一停机就没有  了。  

另一个好处是节能。一个一百万千瓦  的电站,上海一年大约需要两个。如果是煤  电站的话需要50万吨煤,如果是核电站的话  就需要30吨,而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。  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。

要造“太阳”难在哪里?  

如何让上亿℃的火球悬浮在-269℃的圈子里

聚变最大的问题就是离实现还很遥  远,虽说在过去50年中它的发展可以说非  常快,在美国、欧洲和日本等地的一些大装  置上都同时实现了可控的核聚变,目前我  国也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,但是,这些都  还只是从科学上验证了这是可行的,而工  程上可不可行还不知道。  

要想真正获得聚变能量,首先面临的  问题是能用什么装置。磁笼子是用常规铜  线做的,本身就要消耗大量能量,只有把温  度降下来,让电阻等于 0,消耗的能量才可  以降到 0。这事说起来容易做起来难。我  国大概在1989年曾用400万元人民币的羽  绒、瓷器、中国家具换来了一个价值1800万  卢布的聚变装置,花了1年半的时间把它全  部拆掉,又花了2年的时间把它装起来,在  这上面做了大量实验。当时其他国家在这  个装置上面都只能做几秒钟高温,而我们  最多已经能做到60秒钟1000万℃。  

但这还不够,还不能够做到所有线圈  的电阻都等于0。这时候需要做超导,就是  要把上亿℃的一团火球悬浮在-269℃的圈  子里面,让冷热两个极端相结合,这是非常  难的。  

另一个大难题是,一旦发生聚变的时  候——比如氢弹爆炸,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)会发生强相互作用,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,它就会碰到什么烧  什么。  

这件事真是难,难于上青天。正因如  此,即便美国人在上世纪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。

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中国聚变之路要如何走

10年时间终于实现了突破  

从能源的需求来讲,中国比任何  一个国家都需要能源。所以从上世纪  90 年代初我们提出,要在全世界率先  做一个全超导的托卡马克,能够长时  间地做到上亿℃,比太阳中心的温度  还要高五六倍!  

作为“九五”的大工程,我们开始  做这样的装置。做这个装置,第一就是  要解决上亿℃和-269℃的矛盾。这就  必须要把很多技术用在一起。首先,真  正的上亿℃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——就  像“蜘蛛侠”胸中的那个球,温度越高它  越容易到处跑。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。  

此外,因为能量的损失靠传导、对  流和辐射,所以为了实现最小辐射损  失,我们全部用了真空,用5层真空实  现了1亿℃和-269℃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  时国内的经济条件不像现在这么好,  万元熙院士带领整个团队做了整整10  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℃,虽然  当时它只能保持几秒钟时间。  

中国现有两个”人造太阳“,可以  说是现实版托卡马克,一个在合肥,另  一个在成都,业界习惯分别称它们为  合肥超环和中国的环流器1号。  

已经有相关技术运用在了国民经济中  

尽管聚变能离我们还是很遥远,  但是通过国际合作,研发过程中产生  的技术已经能够非常好地用在国民经  济中。  

为了验证聚变的工程可行性,欧  盟和中国、俄罗斯、美国、日本、韩国、  印度等共同出资,要建世界第一个真  正意义上的人造太阳,也就是国际热  核聚变实验堆ITER。  

这个国际合作项目里面牵扯到特  别多的技术。比如,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  就有360吨左右,价钱也是差不多的。  

我国在参加 ITER 之前是生产短  样的。绕这么一个线圈,里面要将近  10 万米导线,重 150 吨。在参加这个  国际合作之前的 40 年之间只产生了  36公斤短样。而如今国内企业中已形  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高,用  ITER 上面的材料终于解决了航母起  落架的问题。  

还有一个实际运用,和之前说的  上亿℃的东西的第一层屏蔽也就是核  导有关。它有8000吨,是一种特殊的  不锈钢,它首先要能降到-269℃,同时  还要耐强辐射。这种材料我们国家在  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。  

未来怎么做?

计划60年内实现商用  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10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


编辑:chenguo

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