“人造太阳”?距离聚变发电还有多远
发布日期：2018/11/22
近日，一则新闻引起了媒体的广泛关注：我国聚变科学装置“人造太阳”取得重大突破，等离子体中心温度首次达到一亿摄氏度。这一亿度可不是简单的一个数字，它是在多项实验参数接近聚变电站稳态运行模式所需要的物理条件的环境中首次实现的，也就意味着我们第一次可以更加真实的模拟未来商用聚变堆，进行相关实验，测试是否会出现其他未知的物理或者工程问题，为人类开发利用核聚变清洁能源奠定重要的技术基础。
看到这个消息，想必大多数非聚变领域的吃瓜群众会为国家感到自豪之余更会一头雾水：聚变！什么意思？“人造太阳”是个啥？等离子体？不懂！一亿摄氏度，温度挺高的吧……自认为是聚变界一员的我，觉得有责任而且很有必要给大家细致入微的回答上述问题。所以跟着我，走进这个奇妙的聚变世界。
首先对聚变世界进行一下分类：自然界的聚变圈，包括大家所熟知的太阳以及其他恒星；人类社会的聚变圈，又可分为邪恶的即以氢弹为代表的武器圈和正义的以聚变发电为重点的能源圈。这三个圈有个最为显著的共性就是都是用聚变的方式释放能量，聚变其实就是简单的将两个很轻的原子核比如说氢核挤在一块然后变身成为氦，神奇的是生成的新的原子核的质量比俩氢核质量加起来要小，质量去哪了呢？伟大的爱因斯坦解释说，质量是可以转化为能量滴，要是有兴趣的话可以关注一下他的质能方程。所以说，聚变就释放能量啦，而且这能量很大，所以太阳才会温度那么高，所以氢弹爆炸时会有人看到罗布泊上升起了第二个太阳。这么大的能量要是可以为人类所用，是不是就可以登上人类巅峰了，从此吃喝不愁呢？是的，没毛病。接下来就给大家分析为啥我们需要开发这种能源——以聚变的形式来发电。
图1 两个原子核碰撞发生聚变
众所周知，我们现在处在一个经济快速发展的时代，而这完全得益于广泛使用的化石能源，如石油、天然气、煤炭等，可这些的储量是有限的，据估算，以现在的消耗速度，石油还可以使用50年，天然气可以用60年，煤炭可以用200年！要是能源消耗完了，工厂无法工作，商品无法大规模生产，科技无法进步，那么我们就可以开开心心地体验古人的生活了，更加可怕的是，现在的多数中东战争都是由于化石能源的重新分配引起的，要是能源危机爆发的话，后果是什么，世界大战？不敢想象……这个时候，大概会有人问，不是还有风能、太阳能、水能等等新能源吗？那问题是，没有风怎么办，晚上怎么办，离水源很远怎么办，这些新能源功力太低，能量不大，受限制明显，难堪大用。所以我们需要找一个原料充裕，能量够高的能源解决此困境。聚变能，开始登上历史舞台。
图2 日益枯竭的化石能源
说起聚变能，其实有一段很有趣的历史，就是在20世纪五六十年代关于使用聚变能的方式的讨论，有的科学家提议，氢弹既然可以释放那么大能量，我们可以用它来改造地形啊，比如开第二条苏伊士运河，拓宽巴拿马运河，有的科学家设想，可以用大量的环绕太阳的卫星组成一个球体直接获得太阳的聚变能，这也就是科幻界著名的设计“戴森球”。科学家的脑洞的确很大，但可惜这两种方式一个假借利用氢弹造福人类其实目的是军备竞赛，另一个终究还是幻想。那怎么办，人类没救了吗？不，脑洞大开的科学家们产生了大胆的想法：在地球上仿造一个太阳！
图3 可控核聚变需要类似太阳的环境
之前说过，聚变能可以解决人类的能源问题，原因有二：首先聚变可以产生很大的能量，不信可以看看太阳；其次，原料问题，地球上目前可以用来进行核聚变的原料是氢的同位素（氘、氚），氘在海水中储量极为丰富，有45万亿吨，而且一升海水中的氘聚变后可以提供300升汽油燃烧释放的能量，所以地球上蕴藏的聚变能够人类使用几十亿到几百亿年。是不是从此吃喝不愁，而且可以实现人类永久的和平，想想都很激动呢。那就赶紧种太阳啊，等什么呢，怎么现在都没听说可以聚变发电了？
真正美好的东西，总不会让人那么轻易地得到。
核聚变之所以难，完全是因为它要求的条件很是苛刻，太阳可以轻易地发生聚变是因为其核心温度高达1500万摄氏度而且有很高的密度，氢弹则是依赖核心装载的原子弹提供聚变点火的能量。所以我们在地球上种太阳，也就是实现可以被我们控制的核聚变（氢弹不可控），经过计算，需要创造一个类似于太阳的环境，一个需要使原料达到1亿摄氏度的环境。比太阳最高的温度还要高10倍！而且当氢元素被加热到这么高的温度时，他的状态就会由气态变成等离子体态，这种状态类似于气体，但是内部带电。我们要建造的“人造太阳”就好比一个烧煤的炉膛，首先需要有耐高温的炉子可以装燃烧的煤，然后需要达到煤的燃烧温度否则烧不起来，最终需要的是要保证煤可以一直保持燃烧的温度，否则烧一会就自己熄灭了。所以问题就是，我们用什么来装这些1亿度的等离子体，我们能不能很好的理解等离子体的行为保证它可以稳定的燃烧，毕竟这种状态科学家此前并没有研究太多。这可真的是一个全新的领域，路真的很难走，科学家们也一直在努力提出新的想法新的思路，很多不同种类的聚变装置也建立了起来。为了给大家以信心，接下来就介绍一下60年来聚变界的进步与成果。
图4 气态转化为等离子体态
首先是我们用什么来“盛装”这些等离子体，近一亿度的温度任何材料都承受不了，但因为等离子体有个特点就是带电，既然带电，科学家们就想到可不可以用一个磁场去装，然后“磁约束”聚变的概念就出炉了，也就是用很强的磁场做成笼子，让这些高温燃料远离我们的“炉壁”。围绕着“磁约束”聚变装置的设计概念有很多，限于篇幅，今天只重点介绍在国际主流的装置——托卡马克上实现的突破。
图5 “磁笼”盛装等离子体
突破一：从20世纪70年代开始，国际上开始进行托卡马克装置的研究工作，经过不断地努力，终于在20年后，欧洲的聚变装置JET第一次实现了聚变功率16MW，同时输出功率超过输入功率的历史性突破，这无异于给所有研究聚变的科学家一颗定心丸，因为终于从实验上证实托卡马克实现可控聚变是有科学可行性的。但不幸的是，这个过程只持续了几秒钟，也就是说，不能长时间放电，还是不能商用。为什么呢？就是因为我刚才提到的，我需要制作一个“磁笼”装聚变燃料，可是这些磁场是要用外部很大的导线电流产生，导线有电阻，就会产生热量（电热炉的原理），所以导线承受不了长时间的运行，不然就会烧坏。那怎么办？
突破二：既然是因为导线的原因使聚变不能一直进行，那我可以把电阻降低直至为零啊，所以，超导托卡马克的概念就诞生了，我把产生磁场的线圈变成超导体，这不就不会产生很大热量了嘛。于是2006年，世界上第一台全超导托卡马克EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）在中国合肥美丽的科学岛上出生了。从这时开始，聚变界喜讯连连。2006年，EAST首次运行就获得了411秒2000万度的等离子体放电，是连续运行最长时间的世界纪录。2017年，EAST实现了稳定的101.2s高约束等离子体运行，等离子体温度达到了500多万度，而且相比于2006年可以更稳定地约束更多等离子体。而今年，等离子体终于可以达到1亿度了。这个消息最大的意义就在于，我们有了可以长时间让聚变燃料在“磁笼”中保持1亿度并且放电的可行性了。
图6 EAST装置
“炉子”有了，温度也能达到了，接下来只要能够让聚变燃料可以更加持久的燃烧，那么聚变发电的一天就真正到了，我觉得离这一天不会太短也不会太长。重点是要保持一颗平常心，聚变是一个大工程，罗马城也不是一天两天建成的嘛。聚变领域最为人熟知的可能就是50年定律了，就是说离聚变发电永远还有50年，可大家应该可以看到，每隔大约20年甚至10年，聚变领域就会有一个大的突破，随着人类技术水平的提高，这个周期只会越来越短。不要太悲观，因为我们一直在进步；不要太过乐观，因为我们问题还有很多，许多相关的技术比如超导、材料、物理等都还不够成熟。
图7 聚变人类梦寐以求的能源
总结一下，中国聚变实现一亿度是个巨大的进步，这表明世界离聚变发电更近了，但我们现在研究的都只是核聚变实验装置，只涉及到物理机制的研究和工程技术的储备，都没有涉及聚变反应后发生的能量输出环节，而我们目标是要建造商用聚变电站，这个跨越可能面临更多我们没见过的问题。此外，建造一个实验装置动辄就需要几亿上十亿美元，耗资仍然巨大。对一些高精尖技术比如大型超导磁体、大体积超高真空、等离子体控制工程等等的要求会越来越高。无论如何，有信心，多给聚变一点时间，它一定会给人类带来一个水清天蓝、宁静祥和的新世界，而且更应该相信第一盏“人造太阳”之火点亮的灯会在中国亮起。
来源：观察者网 作者： 徐宇晨
