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科工力量:制造人類終極能源,為什么中國最有希望?
最后更新: 2020-08-06 06:48:21各位好,我是冬曉。7月28日,世界最大的核聚變裝置,國際熱核聚變實驗堆(ITER),在法國開始組裝,35個國家領導人遠程視頻、參加慶典。該反應堆是一個能產生大規模核聚變反應的托卡馬克,也被叫做“人造太陽”,由中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度聯合建造。工程建設中,中國提供了核心設備。今天的視頻我們就講一下人造太陽的那些事。
核聚變,兩個原子核碰撞結合,釋放能量。氫彈將這一理論變為現實,瞬間爆炸,產生巨大的能量。但這樣的方式不可控,做武器還行,用來發電就純屬異想天開。太陽內部核聚變為什么能持續? 因為它質量大,產生的強大引力指向內部,抵消了聚變產生的向外壓力,構成平衡。有了這種平衡,物質不會炸散開來,聚變能持續進行。
氫的同位素,氘、氚,是常用的聚變原料,它們的混合氣體,必須在超過1億度高溫環境下,才能產生大規模反應。這樣高的溫度,原子中的電子和原子核分開,獨立運動,形成等離子體。可控核聚變,需要將這團氣體約束在高溫環境中,太陽靠引力約束,那么人類呢?用容器裝嗎?問題是,這樣的容器該用什么材料制造?1億度的高溫,任何材料也無法承受。
早期的科學家嘗試了很多方案,仿星器,箍縮機、磁鏡等。很遺憾,這些裝置工作不穩定,實驗效果不理想。為了約束高溫等離子體,政府需要投入更多的錢,建造更精密的設備。50年代,美國投入巨額資金,啟動“舍伍德工程”,希望成為聚變研究的領頭羊,但這被英國搶了先,他們的ZETA聚變裝置取得重大突破。ZETA的投資比“舍伍德工程”少得多,這下美國人臉上掛不住了,不讓英國發布實驗成功的消息。兩國媒體相互拱火,英國《觀察家報》說:這是羨慕嫉妒恨。《紐約時報》說:不對,我們不可能比你差。后來,美國迫于外界壓力,允許英國人發表相關數據,結果,專家驗證后發現,這次實驗并沒有成功。這期間,各國實驗都沒什么進展,政府不愿意再多投錢,研究經費減少。1958年,科學家們在日內瓦開了個會,大家合計合計,看看有什么更好的核聚變方案。蘇聯科學家薩哈羅夫提出的“托卡馬克”概念,走進大眾視野。
“托卡馬克”,俄語意思“環狀磁容器”,這個裝置類似汽車輪胎,中空的,尺寸比輪胎大得多。在強磁場作用下,高溫等離子體懸浮起來,被約束在環狀腔體內,不接觸設備內壁。
蘇聯人剛拿出該裝置時,西方國家覺得這是騙人的玩意兒,就憑他們那點技術,能實現可控核聚變? 1969年,英國科學家跑到莫斯科查看,結果發現,這個方案是真的有效的。歐美各國知道消息后,一哄而上,紛紛建造起托卡馬克。1982年,美國搞出了TFTR,1983年,歐洲弄出了JET,1985年,日本研制出JT-60。三套設備中,聚變產生的能量已經接近外界輸入的能量,好比做生意,收入等于支出,不賺不虧。要是聚變能量再大點,就能支持發電了。怎么做才能實現呢?建造更大的托卡馬克。更大意味著更多的投資,單個國家無法承擔,于是就有了“國際熱核聚變實驗堆(ITER)”計劃。
1985年,項目啟動,當時僅有四個國家參與,分別是:美國、蘇聯、歐共體、日本。新組織獨立于聯合國原子能委員會。所謂的“國際”項目,實際上是排他的,只有強國才能玩得起。其他國家要想加入也行,只能以這某個成員國的“小伙伴”身份加入。加拿大是以歐共體小伙伴身份參加的。當時,中國經濟、技術落后,沒人肯帶我們。
項目討論了近十年,到1996年預算才出來了,至少一百億美元。美國一看,立馬退出。在這上面燒這么多錢,肯定影響國內聚變研究。而且國會要照顧石油利益集團,不會輕易撥款支持新能源。俄羅斯也有難處,經濟出現問題,靠賣石油續命,對合作計劃不上心。日本股市、房市泡沫破裂,出這么多錢,心疼。只剩下歐盟自己吆喝了,項目一直沒有實質進展。
? 花開兩朵,各表一枝。自上世紀70年代起,中國就開始研究托卡馬克裝置了。只是當時受技術和資金制約,建造規模很小,沒有實力參加“國際熱核聚變實驗堆”項目。后來,蘇聯解體,莫斯科庫爾恰托夫研究所寫信給中國,愿意贈送超導托克馬克裝置T-7。庫爾恰托夫研究所前身,蘇聯科學院原子能研究所,世界上第一座原子能核電站,在這里設計的。1979年,該所建造了T-7,剛建好不久,蘇聯又搞出了一個更大的T-15,所以T-7一直閑置著吃灰了。俄國人為什么送給我們?往大了說,可控核聚變涉及全人類利益,各國都會有合作,贈送舊設備很正常。往事實際上說,蘇聯剛解體,俄羅斯沒有多余的錢修理維護。當然我們也沒白拿,以物易物,據說回贈了他們兩車皮羽絨服。
隨后T-7被拆解運往中國。整套設備非常舊,跟垃圾堆里撿的一樣。經過重新設計、改造,1994年,建成HT-7超導托卡馬克,也被叫作“合肥超環”。中國掌握了超導托卡馬克技術,成為第四個擁有此類裝置的國家,前面三個分別是俄羅斯、日本、法國。在新設備上,中國科學家做了很多實驗,讓等離子體中心電子溫度達到1200萬度,并維持到400秒,打破法國人的記錄。HT-7平臺,培養了一批工程師,為后來建造“東方超環(EAST)”奠定基礎。
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