人造太阳1亿度,中国“人造太阳”首次实现多少亿度运行?
如何核聚变
核聚变法生的条件比较苛刻,因为质子带正电,两颗质子要靠近是很难的,它们有很强的电荷斥力。科学家采用的办法是让质子高速对撞,当速度足够快,完全也可能斥力不足以减速到0,结果就碰到一起了。
两种办法:
1,大型对撞机
这个是科学家做实验用的。两束质子被加速到近光速,然后对撞。这种对撞能有可以观察的数据。可以在预定地点对撞,可以在这个点观察发生了什么。
大型对撞机成本很高,需要用一个城市的电力,但获得的只是几枚质子聚变的能量,所以适合科研,不适合发电。
2,高温高压
在高温下,气体分子分子高速运动,方向是乱的,但数量是巨大的。在这样的乱局里,一定会有大量的交通事故。那么只要温度足够高,就会有足够高速的分子对撞,然后就发生一小批聚变反应。
实际上太阳中心发生的核聚变就是这种呢情况。那么它的温度是多少呢?大概是1500万度。但是在地球上用1500万度是不能发生核聚变的,因为压力不行。太阳核心的密度是水的150倍,比钢铁的密度还大1倍。
托卡马克装置原理
1,温度和原理
我们地球上的材料,1500万度的高温是无法适用的。实际上地球上能找到的固体材料没有能挺得住3000度温度的。而且那个150倍水的高压,也没有什么材料能承受住。
现在可控人工核聚变的装置是托卡马克模式,用大型线圈创造一个强磁场,将高温气体约束在磁场里。
一个运动的带电粒子,在强磁场里偏转,除非它顺着磁力线走。如果再将磁力线闭合正圆环,则带电粒子就只能在这圆环中旋转。这样,高温气体就悬浮在空中,不与固体材料接触。
为了约束住气体,气体必须很稀薄,要比我们地球大气稀薄的多,大概只有1%个大气压。这么稀薄的气体要发生核聚变,就必须继续提高温度。经过科学计算,需要将温度提高到2亿度才能有一定概率发生核聚变。而且为了能降低难度,没有用普通的氢元素,而是用相对容易发生聚变的氘、氚,当然它们释放的核能也少了很多很多。这样,温度就降低到1亿度。
所以,托卡马克装置的温度要超过太阳中心温度6~10倍。
2,强磁场和低温
那么用什么来产生足够的强磁场呢?当然是大电流。而要有大电流,就必须考虑电阻的影响,所以最好的方式是用超导线圈。但是超导都是低温材料,现在我们找到的材料超导温度大概是液氮温度,而如果用常规的金属材料做超导线圈则需是液氦温度,接近绝对0度。
这就是现在托卡马克装置的矛盾,上亿度高温,和绝对0度低温同时存在,而且如果维持不住上亿度高温,核聚变就停了;如果维持不住绝对低温,磁场就约束不住高温气体了。此外,还有很多其他系统部件的问题,也是状态能否维持。比如
上亿度算什么
我觉得,这只是一个指标,是托卡马克装置运转的各种指标中的一个,是温度指标的一个里程碑,表示基本达标。其实,前段时间我们还有一个指标达标,就是连续运行能否持续,我们持续了101s,基本算连续运行了。其实商业上要连续运行,比如发电厂,应该是全年每周7天24小时连轴转吧?
所以,我把这个上亿度也看做一个前进道路上的里程碑,它说明我们在前进,又过了一个里程碑,但是终点还远呢。可控人工核聚变要能实现,最后能商用,估计还有20年以上的时间。
在托卡马克研究中,中国是主要领跑者。研究的国家还很多,美国、欧洲、中国、日本、俄罗斯、印度都在做,其中前三家是主要领跑的,后三家则是跟随者。
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