和中国科学家们一起“种太阳”
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和中国科学家们一起“种太阳”

2020年08月06日 08:35:25
来源:品玩

地球万物生长所依赖的光和热一直仰赖于太阳内部核聚变反应所释放的能量,而如今,儿歌里唱的“种太阳”正在一点一点变成现实——我们要模仿太阳产生能量的过程,人工制造可控核聚变装置,将氢同位素聚合成氦,并从中汲取取之不尽的热能。

这第一颗种出来的新太阳不再悬挂在距离地球一亿五千万公里的遥远深空,就在地球表面,法国南部卡达拉舍。

这颗人造太阳全称“国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)”,简称 ITER。它是目前世界规模最大的核聚变反应堆,聚变功率高达 5 亿瓦特(500 MW),相当于 10 平方米的太阳表面。

ITER 局部

ITER 局部

ITER 预计耗费 100 亿欧元,零件多达一千万个,绝不是靠一个国家自己就能完成的工程量。

2006 年,中国正式签约加入该计划。最终,ITER 由七个成员实体共同资助和运行,分别是中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国。

ITER 实验场外,飘扬的七国国旗和 ITER 旗帜

ITER 实验场外,飘扬的七国国旗和 ITER 旗帜

就在上周,经历了十四年的设计和统筹,ITER 安装启动仪式终于在卡达拉舍举行。

在接下来的几年里,ITER 所需要的部件将从各个成员国运输至卡拉达舍。这些部件往往重达数百吨,长度超过 15 米,这些零件是世界各地工厂、大学和国家实验室超过五年心血的结晶。而 ITER 本体的组装工作预计于 2025 年结束。

启动仪式在 ITER 大会堂举行,法国总统马克龙主持仪式,图源:ITER

启动仪式在 ITER 大会堂举行,法国总统马克龙主持仪式,图源:ITER

至此,人类史上最大热核聚变实验堆,正式启动!

人造太阳内部在发生什么?

想要重现太阳内部的聚变反应,ITER 必须比太阳更热。

我们的太阳表面温度约为 6 千摄氏度,其核心温度为 1500 万摄氏度,在这个超热的核心里,核物质的密度是地球密度的 150 倍。太阳上的高温高压为聚变反应创造了必要的条件,然而,太阳核里极端的密度无法在地球上实现,因此 ITER 需要用更高的温度进行补偿。

ITER 的核心被称为“托卡马克核聚变反应堆”,看起来就像一个巨型真空甜甜圈,外面缠绕着线圈。在通电时,托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将超高温的等离子体约束在其中,以达到核聚变的目的。

在 ITER 的托卡马克里,等离子体的温度将达到 1.5 亿摄氏度,是太阳核心温度的十倍

工作人员正在安装 ITER 的托卡马克“甜甜圈”

工作人员正在安装 ITER 的托卡马克“甜甜圈”

核聚变反应发生时,几克氢同位素(氘氚气体)会先被注入这个甜甜圈里,接着,氢同位素气体会被不断加热,直到气体变成云状的等离子体。

气体变成云状等离子体的瞬间

气体变成云状等离子体的瞬间

只有当等离子体的温度达到 1.5 亿摄氏度时,聚变反应才会发生。于是,把这些几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里就成了一个老大难。

在托卡马克装置里,腔体外部有总重达到 1 万吨的超导磁铁,耗费掉 10 万公里长的铌锡(Nb3Sn)超导线。这些磁铁产生的巨大磁场将会紧紧地把等离子体约束在腔体内,确保等离子体不会“烧穿”外壳。

其中,最强力的磁铁“中央电磁阀”高达 18 米,有一千吨重,产生的磁力足以提起一艘航母。

ITER 的中央电磁阀(Central Solenoid),图源:ITER

ITER 的中央电磁阀(Central Solenoid),图源:ITER

在受约束的核聚变反应中,区区几克的同位素会融合在一起,损失极小的质量并释放出巨大的热量。理想状态下,托卡马克装置璧上的循环水会瞬间气化成蒸汽,推动蒸汽轮机发电。

在 ITER 之前,已经有不少托卡马克装置的先行者,然而这些装置要么用于加热等离子体耗费的能量大于释放出的能量,没有实际应用价值,要么聚变反应不稳定,无法持续,ITER 实验堆将会是首个实现“等离子体自热(burning plasma)”的聚变反应堆。

换言之,ITER 产生的能量输出大于能量输入。

太阳属于全人类

ITER 是目前世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程,可以说,这颗人造太阳是人类“众筹”出来的。

在整个项目中,欧洲承担了主要的建设费用(45.6%),其余的则由中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国平分(各占9.1%)。ITER 成员合在一起代表三大洲,占世界人口的一半,占全球国内生产总值的 85%。在 ITER 总部里,在七个成员国国内机构的办公室里,在实验室和工业界,成千上万的人正在为 ITER 的成功而努力。

在建设过程中,成员国很少直接投入金钱,十分之九的捐助将以完整的组件、系统或建筑物的形式交付给 ITER。

其中,中国将负责 ITER 磁铁的核心部分制作,其中包括环形线圈,以及由中科院合肥研究院承担研制的极向场线圈。此外,ITER 的低温冷却设备和气体注入系统也由中国参与制作。

ITER 的各国分工

ITER 的各国分工

另外,“基建狂魔”中国还揽下了棘手的 ITER 组装工作。

当地时间5月28日,由中核集团牵头的中法联合体完成了杜瓦底座的接收及吊装。作为 ITER 核心压力装置的支撑结构,杜瓦底座重达 1250 吨,其起吊重量和安装精度打破了中国核能行业大件设备吊装的记录。

杜瓦底座安装现场,图源:中核集团

杜瓦底座安装现场,图源:中核集团

众多国家的倾力投入,是因为看到了可控核聚变隐藏的巨大潜力。

如今世界各地的核电站全部采用重核裂变的方式发电,核电站使用的核燃料一般是放射性重金属铀-235或钚,这些重金属不但储量有限难以取得,裂变所产生的核废料还会带来巨大的安全隐患。

而核聚变所需的氢同位素可从海水中获得,可谓用之不竭,产生的副产品是无害的氦元素,哪怕泄漏也不会造成很大的危害。当温度下降或者停止对等离子体的约束时聚变反应会立即停止,安全性也更高。

ITER 就是介于当前的等离子体物理研究,和未来的核聚变发电站之间的试验性步骤,它将为人类建设第一座可商业运行的聚变核电站做好技术准备。

ITER 所体现的国际合作十分可贵。它就像一座灯塔,默默提醒着我们当各个国家在科学面前平等开放合作时,能产生多么强大的力量。在 ITER 最终焕发光芒的那天,这句话应当被铭刻在它巨大的躯体之上:“这颗太阳诞生于人类对未来的渴望,它由全人类制造,并将属于全人类”