科技有狠活 | 地球人如何造一个太阳?你可以参考烧锅炉的套路

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封面新闻 2022-12-16 09:02 66709

封面新闻记者 张峥

聚变驱动了太阳和恒星。

如果人类想通过聚变自己造一个太阳,那么目前有两种主流的思路:一是造一个超级大的锅炉,往里面加氘氚燃料,并升高温度延长约束时间,就可能点燃这些燃料,需要的话还能继续往里面加料;另一种思路,是通过用对称的几十上百路强激光来打一个大概绿豆大小装着氘氚的靶丸,点燃这些燃料,从而获得巨大的能量。

第一个思路里搭建的这种大型锅炉,学术名字叫托卡马克,它是用强磁场长时间约束大量高温带电粒子,让它们发生聚变反应从而获取能量;而第二个思路则是用激光点火,用惯性约束的方式,发生聚变反应来获得能量。

近日,美国能源部宣布,当今世界上最大的惯性约束核聚变装置NIF(国家点火装置)成功实现激光点火,实现能量的净增益,成为在核聚变领域里具有里程碑意义的事件。此前,封面新闻记者专访了四川大学原子核科学技术研究所教授、博士生导师胡智民,请他解读了激光聚变点火的套路;那么托卡马克聚变的思路又是怎样的呢?封面新闻记者专访了苏州大学物理科学与技术学院冯岩教授。

    冯岩(右)

科普:托卡马克装置 vs NIF装置

封面新闻:请介绍一下您所从事的托卡马克研究。

冯岩:我们课题组的研究项目是与核工业西南物理研究院合作,在环流器二号HL-2A托卡马克的一个法兰上,试制一套全新的聚变尘埃在线诊断系统,有望对托卡马克芯部安全因子实现原位诊断。

封面新闻:网友都比较关心,托卡马克装置和NIF装置有什么异同?

冯岩:他们的相同点都是为了实现聚变。不同点是实现聚变的方式不一样,托卡马克是使用强磁场约束粒子,而NIF国家点火装置则是基于惯性约束。

NIF是举美国全国之力,几千人花费了几十年才实现点火净增益。而托卡马克装置就不止一部,根据不同的科学研究目标,大小参数有所区别。比如建在合肥科学岛中科院等离子体所的东方超环EAST,是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克,创造了一系列磁约束核聚变实验参数的世界纪录。而在成都核工业西南物理研究院的环流器二号HL-2A和HL-2M,也取得了一系列重要的物理结果。除了这些大型的托卡马克,我国高校中还有一些中小型的托卡马克,例如清华大学的SUNIST,华中科技大学的J-TEXT,南昌大学的NCST,以及深圳大学类似于托卡马克的Helimak等。大型装置,能够冲击更高的科学目标,而大学里中小型装置,可以实施相关实验研究以及培养研究队伍等。

造托卡马克 绝非砸钱就能搞定

封面新闻:为什么我们不举全国之力造一台托卡马克呢?

冯岩:说个简单一点的例子,你可以把托卡马克想象成一个锅炉,根据研究规划,有的做得瘦一点,有的胖一点,具体参数不同,它的科学目标自然也是不一样的。针对不同的研究目标和技术指标,只做一部托卡马克是不行的。几十年来,全球各国不同的托卡马克的等离子体放电参数各不相同,但我们发现它居然是符合一个普适的标度律的,基于这个标度律,我们能够设计未来更大的装置,并大概预言对应的等离子体参数,评估是否能够达到聚变反应的要求。

磁约束托卡马克的建设比较昂贵,需要大量的人员操作和维护。一般一台大型托卡马克,几百个人的研究团队是很正常的。这一系列极其复杂的物理和工程技术问题,绝不是砸钱就能够搞定的,相关的技术世界上其他国家一样没有突破。比如,托卡马克芯部电子温度高达上亿度,如此高温的等离子体对真空腔体的内壁带来巨大考验,地球上是没有能够直接承受如此高温的材料的。那怎么来解决这个问题?只能想尽一切办法,从不同的角度把这个热负荷的问题缓解。

我们实验上要尝试一些新想法、新思路,总不可能每次都拿最贵重的装置来做。或者说,测试性的尝试,我们就需要其他的一些托克马克来实施一些系统性的研究,当有了测试结果,再将这套系统优化到最佳,装配在最好的装置上,冲击更高的科学目标。所以,对于我们这样大国,只搭建一台托卡马克是不够的。如今,我国一些高校运行了中小型装置,一方面实施相关物理研究,同时也培养锻炼了研究团队。

封面新闻:请跟我们解释一下托卡马克的研究思路。

冯岩:聚变点火需要满足劳森判据,即等离子体密度、等离子体温度、约束时间三者乘积要大于一个数值,聚变点火才有可能发生。但是从实验角度,这三者其实几乎无法兼顾。NIF的思路是提高等离子体密度,而托卡马克则是提高约束时间的同时,也提高等离子体温度。那么怎么来约束这些带电粒子呢?地球上现有的材料都无法承受如此高温,托卡马克是通过磁场对带电粒子产生的洛仑兹力把它们约束住。应该说托卡马克中的等离子体密度肯定比NIF低得多,但是约束时间长。之前EAST托卡马克放电,冲击过H模100秒,去年更是高达1056秒的长脉冲高参数等离子体,非常了不起。

太阳是托卡马克吗?

封面新闻:太阳是不是就是一个巨大的托卡马克?

冯岩:太阳可以理解为宇宙中能够自发形成核聚变的实验条件,我们地球上能够得到的太阳能其实都来自于太阳上核聚变能。因为太阳的质量很大,太阳上面的重力或万有引力就足以把带电粒子约束住,因此粒子的约束时间几乎是无限长。而地球上的重力加速度是完全无法约束它们的。

原则上讲,说太阳是托卡马克,可能不够准确。因为托卡马克是靠强磁场把带电的电子离子约束住的,而太阳是靠自身的重力把这些等离子体给约束住的。除了利用超强的磁场,在地球上是无法通过重力或者别的手段把这些带电的离子电子给约束住。现在虽然是能约束住了,但是时间还是不够长,温度还是不够高,还存在一些不稳定性等等因素。

封面新闻:您所说的超强磁场,就是高温超导么?

冯岩:托卡马克的强磁场,可以通过高温超导线圈提供,这是目前最佳方案,就像EAST是全超导托卡马克,它的高参数能够冲击一系列的世界纪录。其他的托卡马克,例如成都的环流器二号HL-2A托卡马克,它是用传统线圈提供磁场的,一样可以实施很多物理实验,包括我们试制的那套聚变尘埃在线诊断系统。

封面新闻:中学生朋友关心,聚变属于核物理学科么?

冯岩:其实真正做这个聚变,它所属的学科更多的是等离子体物理,跟核物理还是不一样的。核物理主要关注的是原子核内部的物理;而等离子体则是离子态的物理,二者有所差别。等离子体物理和核物理都是物理学这个一级学科下面的二级学科,二者是平行的。

封面新闻:我们为什么要研究可控的核聚变?

冯岩:典型的不可控核聚变例如氢弹。而所谓可控核聚变,就是希望将核聚变反应发生的速度慢下来,以人为可控的程度为人类造福。像托卡马克研究,希望核聚变释放的能量不要太剧烈,这些聚变能量最好平缓地释放出来,我们取出来后,上国家电网,解决能源问题。

真正实现托卡马克发电 流浪地球可以想象

封面新闻:再问一个科幻一点的问题。这个托克马克装置,如果研制成功了,是不是可以成为流浪地球里,地球逃出太阳系后的一颗人造太阳?

冯岩:流浪地球这个科幻问题,我觉得可以这样想象。未来如果真正实现托卡马克发电,确实可以利用海水中的氘、氚实现自持燃烧等离子体,自然能够提供几乎无穷无尽的能量。

流浪星球说得远了一点,最简单的就是说,现在的石油,煤炭,以及火电站,核电站可能都不需要了。只要有了聚变电站,发的电直接上国家电网,它提供的能源足够维持人类的文明了,由于石油煤炭引发的能源战争应该就没必要了,直接从海水中就能够获取几乎无穷无尽的能量。

封面新闻:我们如果要实现净增益的目标,还需要做哪些努力?

冯岩:如果强行说什么时候托卡马克实现净增益,那取决于新的装置,新的研究计划,一代一代的研究人员在技术和理论上的积累。近几十年来,我国磁约束核聚变研究发展迅速,无论是实验装置,物理研究,还是团队建设,在世界上都占据着举足轻重的地位。照着现在这个势头,我们一起努力,未来可期!

评论 4

  • 汐止 2022-12-16

    看得最深入浅出的一个科普文

  • fm2115807 2022-12-16

    奥利给

  • fm2149437 2022-12-16

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