近日中国的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST),即大家常说的“人造太阳”,正在进行改造升级工作,在改造升级完成之后,该装置将向1亿℃燃烧100秒这一目标发起挑战。除此之外,中国的“人造太阳”之“中国环流器二号M”(HL-2M)托卡马克装置去年年底成功放电10秒。

为什么研究核能?
一个文明有多先进,很大程度上取决于这个文明对能源的利用效率。
远古时期对火的使用,使得我们脱离了茹毛饮血的原始社会。蒸汽机、内燃机的大规模的使用,则使高效利用化石能源成为现实,推开了工业社会的大门。
下一阶段的人类属于什么文明我不清楚。但我知道,人类若想要走出大气层进入群星之间,核能这个科技树是一定要点满的。
原因很简单,地球上没有任何能源的能量密度,能与核能媲美。同样体积的燃料,核能释放的能量,足足是化石能源的几百万倍。
一辆汽车加满油,也就跑个几百公里。但如果有一辆核能汽车加同样体积的核燃料,里程加起来可以绕地球好几万圈了。
外面评价称,如果中国的新“人造太阳”实现既定目标,将意味着为未来核聚变的发展铺平道路,无疑在寻找梦想中的无限能源道路上更近了一步。可控核聚变技术是划时代的能源革命,这一技术将加速下一波的工业革命,同时人类的生活方式也将发生巨变,为我们的下一代移民火星,创造了必要的能源条件。
核聚变优缺点
聚变有两点好:干净卫生、量大管饱。
聚变产物基本上是稳定的同位素,无辐射污染。少量的中子辐照带来的活化也很好处理,基本上可以认为是一种无污染的能源。
更重要的是,聚变燃料的储量是真的大。海水中平均每6420个氢中就能找到一个氘。氚虽然少,但实际聚变过程中并不被净消耗,而是以类似催化剂的形式循环利用。
2012年的全球年耗能约。照目前的消耗速度,地球上的氘让我们烧个几亿年,问题是不大的。
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可控核聚变有多难
两个原子核聚变在一起,靠的是强相互作用力。这个力的作用范围非常短,因此要把两个原子核凑得非常近才行。
喂喂,两个原子核都带正电,那是同性啊。
咱又不是同性恋,强行凑在一起多难受啊。
同性电荷之间长程的库伦排斥力,使得核聚变的反应条件异常苛刻,要把反应物加热到千万乃至上亿摄氏度,才能通过热运动硬生生克服库伦斥力撞在一起,发生聚变反应。
温度(动能)不够时,D和T原子核会被库伦斥力弹开,无法发生聚变。
所以,怎么把聚变燃料烧到上亿度的同时,又不把锅底烧穿,是一件很有技术含量的事情。
上亿度的高温当然没有任何材料能承受。所以,科学家们另辟蹊径,选择用磁场来隔空控制因高温电离的燃料,使其不直接接触反应堆容器,这样就不会把锅底烧穿拉。
这种聚变方式,称为磁约束核聚变。
现在的技术,并不是达不到引发核聚变的要求,而是不划算。
聚变是有成本的,把燃料加热到上亿度要耗能,维持上亿度的高温也要耗能。如果这时候聚变产生的能量低于消耗的能量,那就只能是赔本买卖赚吆喝了。
通常,等离子体温度、密度、以及约束时间越高,能量产出越高,越容易实现能量净输出。
作为一种能源,可控核聚变最重要的指标一定是能量增益系数,我们称为Q,即聚变产生的能量与维持等离子体所消耗的能量的比值,通俗地说就是输出/输入。
显然,Q要大于1,即输出大于输入,这件事情作为能源才有意义。而要让它成为有商业价值的能源则至少需要Q大于20 [1](注意这里的输出还只是聚变输出的能量,而非最终产生的电能!)。
上个世纪五十年代,英国物理学家Lawson提出了一个著名的判据(即Lawson判据),这个判据表明,如果想要Q大于1,等离子体的密度、温度、能量约束时间的乘积(即聚变三重积)应当大于一个定值。
这一点直观上很好理解,单位体积内的离子越多,运动越快,并且这个状态保持的时间越长,那么聚变发生的概率就越大。
这个值具体是多少呢?对于D-T聚变来说,温度为14keV时(1eV大约对应11600K,14keV大约是1.6亿度),三重积取到最小(之所以有这个条件是因为聚变反应截面是温度的函数),大约为。即想要Q大于1,三重积必须超过这个值。
可以当武器吗
核聚变对应的武器形式目前为氢弹,可控核聚变和武器级的核聚变相比,就好比将三峡泄洪大水瞬间爆发约束成涓涓细流长时间输出。
最后,中国“人造太阳”的诞生,意味着一个全新的时代或许正在缓缓拉开帷幕。在人类历史上这个重要的节点上,各国应该如何往前走,又该做哪些准备?在这一点上,中国人领先了。可一直以来,在很多西方国家看来这个世界的中心早已不在东方而在西方。至于古代以中国这个东方大国为中心的说法,西方国家是不愿承认的。可如今越来越多的“证据”像是在表面,世界的中心正在从西方偏移,正在回归东方。