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托卡马克(Tokamak)磁约束核聚变装置内部全貌。
先定个小目标:烧出一亿度高温
核聚变好处这般多,但是为啥在核裂变发电已经被人们玩得很溜的今天,无数“攻城狮”花了五六十年的心血,还是没让核聚变实现可控发电?原因是反应条件太0苛刻了。
由于重原子核先天就有不稳定的特点,裂变反应比较容易发生。但要让轻的原子核聚合成重核,情况就完全相反了。原子核都带正电,互相的排斥力非常巨大,正如将磁铁相斥的两极拼在一起那么费劲。要想聚合,必须让它们飞快地动起来,并且能两两正撞,这样就能使原子核在碰撞瞬间的动力大于它们之间的斥力,从而发生聚合。条件就是极高的温度。在这种状态下,原子的外层电子和原子核分离,并且可以分别自由运动,形成等离子体。
宇宙中有一群天然的巨型核聚变反应堆,那就是太阳这样的恒星。在太阳中心,1500万摄氏度的高温和2000亿个标准大气压的高压下,氢聚变成氦。这样的反应已经进行了46亿年,向外发出了巨大的能量。其中仅有十亿分之一左右的能量落到了地球上,就滋养了地球。
在地球上发生核聚变是十分困难的。由于形成不了太阳那么“变态”的大气压,因此只能通过更高的温度来弥补。在普通人工所能建造的反应器规模下,氘-氚聚变反应的临界点火温度为几千万到一亿摄氏度,氘-氘反应的临界点火温度更是一亿至数亿摄氏度,是太阳中心温度的好几倍。
因此,要获得这股聚变能量,必须要先输给原料一股巨大的能量。氢弹正是先用一个裂变弹爆炸后产生的上亿摄氏度高温,而引发了核聚变。正常的发电显然不能是炸出来的,而现有的任何耐火材料都扛不住4万摄氏度以上的高温。这下麻烦来了:怎么将核聚变的原料加热到这么高的温度?即使达到了这么高温的原料,又用什么办法来约束它们不跑掉?按现有的科学分析,这样的解决方案有3种。
一位技师进入核聚变反应器内部检查等离子体(即聚变燃料)加热系统。
磁约束聚变最有望发电
一是重力约束。这里说的就是太阳。在其巨大的质量和体积下,即便没有特别变态的高温(太阳有一千多万摄氏度),也能靠引力来确保聚变粒子的密度和约束时间,从而实现连续而稳定地释放聚变能。可惜,这种方案也只有太阳这么大块头才能办到,在地球上是实现不了的。
二是惯性约束。基本原理是用极高功率的激光或其他高能粒子束,轰击装有聚变原料氘和氚的小球。这些激光的功率可达5亿兆瓦(1兆瓦=1000千瓦),相当于美国所有电站峰值功率的500倍,使小球在纳秒量级的时间内被加热到几亿摄氏度。因为惯性作用,里面的粒子还来不及飞散出去就已经发生了聚变反应,也叫“靶丸聚变”。这方面最前沿的进展就是美国的国家点火装置(NIF)和中国的神光系列装置。美国对这种聚变装置的期望是:当聚变输出的能量超过为引发反应而输入能量的10~100倍,就值得实行了。这种方案最大的不足是,每次核聚变反应的持续时间只有一瞬,能量的输出不连续,打一发(激光)就要装一次弹药(小球)。虽说瞬间功率大、能量收益率高,但总的能量输出却很少。要想作为能源,NIF的激光发射频率需要达到每秒10次,而目前的水平是不到5小时才发射一次。
三是磁约束。顾名思义,就是用磁场来充当约束等离子体的虚拟容器。由于磁场不是实体,所以不存在耐热耐压的问题。为了管好等离子态的聚变原料,基于这套方案设计的装置千奇百怪,其中最流行的一种叫做托卡马克的装置。
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