人類追求的終極能源,就藏在這種恐怖的武器里

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最近,隨著我國新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”取得重大科研進(jìn)展,以及一些與核技術(shù)相關(guān)的事件發(fā)生,又有不少人關(guān)注起了人類的“終極能源”技術(shù)——可控核聚變。

許多人好奇,為什么說核聚變是人類的“終極能源”技術(shù)?核聚變的發(fā)展歷史是什么樣的?可控核聚變到底為什么“難控”?核聚變要實現(xiàn)到什么程度,才能真正解決能源問題?下面就讓我們來聊聊這些問題。

庫茲卡的媽媽

1960 年聯(lián)合國代表大會上,赫魯曉夫向美國承諾,要讓美國人看看“庫茲卡的媽媽”,1961 年 10 月 30 日,美國人看見了。

這一天,美國地震調(diào)查局發(fā)現(xiàn),在新地島附近,發(fā)生了一場里氏 5 級左右的地震。但很快,美國的一架偵察機發(fā)現(xiàn),這不是什么地震,正是“庫茲卡的媽媽”。

“庫茲卡的媽媽”是蘇聯(lián)的俗語,就像中文的“給你點顏色看看”。這次,蘇聯(lián)人想讓美國人見識的,是炸彈 AN602,所以這枚炸彈在蘇聯(lián)就被戲稱為“庫茲卡的媽媽”,而在西方它被稱作“沙皇炸彈”。

圖片來源:Wikipedia

蘇聯(lián)原計劃的“庫茲卡的媽媽”是一枚 1 億噸 TNT 當(dāng)量的超級核彈。

但當(dāng)時 1 億噸級核彈的設(shè)計方案里,可能會引起比較大范圍的放射性沉降。另外,這個量級的炸彈在投彈后,飛行員不可能有足夠的時間逃離爆炸現(xiàn)場,基本是有去無回。所以蘇聯(lián)方面修改了炸彈設(shè)計,把爆炸當(dāng)量削減了一半。

美國人見識到的,正是削弱版的“庫茲卡的媽媽”。但即便是削弱版,它也是人類歷史上威力最大的炸彈,它的爆炸當(dāng)量是 5000 萬噸,是“小男孩”原子彈的 3800 倍,是二戰(zhàn)里所有常規(guī)炸彈的總能量的 10 倍。

“庫茲卡的媽媽”爆炸的時候,產(chǎn)生了直徑堪比珠穆朗瑪峰高度的大火球(直徑 8 千米),在 1000 千米外都能看見核爆的閃光。爆炸產(chǎn)生了一朵巨型蘑菇云,高度接近珠穆朗瑪峰的 8 倍(67 千米高),蘑菇頭部分寬 97 千米。

之所以有這樣的威力,是因為它利用了另一種原子核反應(yīng)產(chǎn)生的能量——核聚變能。

圖片來源:Wikipedia

什么是核聚變?

核聚變是兩個比較輕原子的原子核融合成一個較重原子核。這個過程也會釋放出巨大的能量。同樣重量的核聚變?nèi)剂希ㄒ话闶菤涞耐凰仉㈦埃┠軌虍a(chǎn)生核裂變 4 倍的能量,比燒石油或煤炭高 400 萬倍。[1]

太陽的能量就是核聚變產(chǎn)生的。圖片來源:Wikipedia

但核聚變并不容易發(fā)生。

在說原子結(jié)構(gòu)的時候我們提到過,原子核都是帶正電的,兩個原子核想要碰撞融合,必須克服斥力,讓它們的原子核靠得足夠近。

這就需要提供超高溫、超高壓,把大量原子核壓在一塊,增加它們?nèi)诤系臋C會。

這種條件在宇宙里并不難找,比如太陽和其他恒星內(nèi)部,巨大的壓力和高溫能夠維持核聚變反應(yīng)。但在地球表面,想創(chuàng)造這樣的條件并不容易。

用原子彈引發(fā)核聚變

在原子彈爆炸的時候,原子彈中心能夠產(chǎn)生上千萬度的高溫,以及數(shù)十億個大氣壓的壓力。

所以,人們自然會想到,在原子彈的核心旁邊放上核聚變材料,利用原子彈爆炸時候的能量,也許能引發(fā)核聚變。

1951 年 5 月,一枚叫“喬治”的實驗彈被推上了試驗臺,在原子彈核心,除了用來引發(fā)核裂變的材料之外,還有液態(tài)氘??茖W(xué)家們希望通過它試驗原子彈能不能引發(fā)核聚變。結(jié)果,它發(fā)出了遠(yuǎn)超過原子彈的爆炸威力,由此人們確認(rèn)了,用原子彈引發(fā)核聚變是可行的

喬治爆炸時的景象,圖片來源:Wikipedia

因為最常使用的核聚變反應(yīng)來自氫同位素氘和氚的聚變反應(yīng),因此,這類核聚變武器又被稱為氫彈。

雖然氫彈是利用了核聚變,但它是不受控制的核聚變,能夠作為武器,但不能作為能源來使用

想要把它用作能源,同樣需要“馴服”這股強大的能量。

可控核聚變

核聚變只有在非常極端的條件下才能發(fā)生,因此想要“馴服”這股能量極其困難。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

首先,利用核聚變發(fā)電的條件太苛刻了。根據(jù)費米的計算,想利用核聚變發(fā)電,等離子體的溫度要被加熱到大約 5000 萬攝氏度以上[2]??稍诘厍虻淖匀画h(huán)境里,不存在這樣的高溫環(huán)境。

當(dāng)然了,科學(xué)家們能夠利用技術(shù)手段創(chuàng)造出這樣的高溫環(huán)境,比如通過電場、粒子束、無線電波振蕩(類似微波爐的原理)、磁振蕩加熱等等。

但創(chuàng)造這樣的環(huán)境,一方面需要消耗大量的能量。另一方面,會帶來一個問題,沒有任何物質(zhì)能夠盛放被加熱后的等離子體。

目前已知的熔點最高的物質(zhì)是碳化鉭鉿(Ta4HfC5),它的熔點是 4215 攝氏度。這個熔點和被加熱后的等離子體相比,實在是差太多了。

為了解決這個問題,目前最成熟的方法是用托克馬克裝置來約束等離子體,這也是目前最有希望成為核聚變反應(yīng)堆的容器。

托克馬克裝置原理。圖片來源:Wikipedia

托克馬克裝置是通過磁場約束,把等離子體束縛在裝置內(nèi)部,成為一個不斷流動的圓環(huán)。當(dāng)然了,目前的技術(shù)還不足以讓核聚變反應(yīng)自維持,還需要有輔熱系統(tǒng)不斷加熱等離子流(一般用中性粒子束加熱)。

目前,在托克馬克裝置的開發(fā)方面,我們國家走在世界前列。

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置,在 2021 年 5 月,實現(xiàn)了在 1.2 億度下運行 101 秒和 1.6 億度下運行 20 秒的記錄。

在 2021 年12 月 30 日,又在接近 7000 萬攝氏度下運行了 1056 秒,創(chuàng)造了高溫等離子體運行的最長時間紀(jì)錄。

在 2023 年 4 月,全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置又一次創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄,成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行 403 秒。

圖片來源:新華社

盡管取得了這樣突破性的成就,但距離我們使用核聚變發(fā)電,還有相當(dāng)長的路要走。

運行之后,還有個關(guān)鍵數(shù)值

在核聚變發(fā)電領(lǐng)域,有一個非常重要的指標(biāo)——Q 值。

一個核聚變反應(yīng)堆釋放的能量和消耗的外部能量比值被稱為 Q 值。Q 值等于 1 的時候,意味著核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量等于它消耗的外部能量。

但這時候,并不意味著它能夠自我維持發(fā)電了,一般認(rèn)為,當(dāng) Q 值大于 5 的時候,核聚變反應(yīng)堆能夠自我維持。[3]

但在考慮到熱能、動能、電能間的轉(zhuǎn)化,國際上公認(rèn) Q 值要達(dá)到 10 以上核電站才能有收益。而如果想成為商業(yè)化的核聚變發(fā)電站,Q 值還需要達(dá)到 30 以上。

那到目前為止,人類已經(jīng)實現(xiàn)的 Q 值最高記錄為 0.67,而推算的理論最高值記錄是 1.25(日本的 JT-60,以氘-氘做實驗,如果換算成氘-氚,理論值是 1.25)。這個值距離核聚變反應(yīng)堆的自我維持,以及用它來發(fā)電還差得很遠(yuǎn)。

但核聚變發(fā)電的誘惑實在是太大了,它和傳統(tǒng)能源的差別,就像恒星和行星的差別一樣,只要掌握了這種恒星級別的能源,人類的文明將向前邁進(jìn)一大步。

因此,世界上許多國家的科學(xué)家們也在積極開發(fā)這種能源。比如,全世界 35 個國家共同參與的 ITER 項目,已經(jīng)開始在法國建造實驗室和各種設(shè)備了。建成后,它將是全世界最大的核聚變裝置,預(yù)計在 2036 年開始進(jìn)行全功率核聚變實驗,計劃能夠?qū)崿F(xiàn) 5~10 分鐘 Q 值超過 10 的運轉(zhuǎn)。[3]

2023 年 6 月 2 日,ITER 施工現(xiàn)場。圖片來源:iter.org

不過目前,ITER 項目也正在面臨工程技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)(點擊查看:《1565億元!史上最燒錢攻關(guān)項目,它到底是要做啥?》)。

可見,可控核聚變作為人類追求的“終極能源”,還有相當(dāng)長的一段路要走,即便是各國科學(xué)家聚在一起共同努力,也面臨著許多無法預(yù)見的困難。人類否能在本世紀(jì)“馴服”這種能源,我們拭目以待。

參考資料
[1] https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-nuclear-fusion
[2] McCracken, Garry; Stott, Peter (2012). Fusion: The Energy of the Universe. Academic Press. ISBN 978-0-12-384657-0.
[3] https://www.iaea.org/sites/default/files/6211011zt.pdf

策劃制作
作者丨科學(xué)邊角料 科普創(chuàng)作團(tuán)隊
責(zé)編丨崔瀛昊

評論
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太師級
可控核聚變作為人類追求的“終極能源”,還有相當(dāng)長的一段路要走,通過各國科學(xué)家聚在一起共同努力,雖然面臨著許多無法預(yù)見的困難。我們深信人類在本世紀(jì)“馴服”這種能源,一定會有所突破。
2023-08-31
王基國
少傅級
掌握可控核聚變技術(shù),就擁有了?限的能源,星際航?的基礎(chǔ)就有了,?類的未來就應(yīng)該是星??海,殖民宇宙;
2023-08-31
傳承解惑
大學(xué)士級
盡管取得了這樣突破性的成就,但距離我們使用核聚變發(fā)電,還有相當(dāng)長的路要走。
2023-08-31