聚变工程：地球流浪任务之“硬核”--氦元素传奇

希望,是如同钻石一样珍贵的东西。心中怀有希望,人类的文明史才会拥有星辰大海!这是在看完《流浪地球》后,第一个出现在我脑海的感性思维。

在电影之中,我被八千米高的喷色火焰点燃木星的电影特效所震撼;我被面对零成功率的可能性,救援队乃至全人类都拼尽全力修复行星推进器的力量所感动;我被肩负传承人类文明史的时代使命,传承过去,开拓未来的精神希望所征服。

抛开电影特效不谈,寻求电影中科技硬核,这才是人类文明史得以传承和开拓的希望。《流浪地球》中,1万个行星推进器装在地球表面,持续不断地能量来自哪里?35亿居民生活在地底下几千米,能量又来自哪里?如果人类真的面临灭顶之灾,地球流浪的希望又是什么?

人类希望的曙光:核聚变

当地球踏上星际流浪之旅,当人类活在几千米的地下城时,地球上只有聚变能才能作为地球流浪的永久动力,只有聚变能才能成为人类传承文明史的重要源泉。核聚变是人类希望的曙光,所以千万个为聚变能而奋斗终生的科技工作者给聚变工程起了一个闪亮的名字,叫“人造小太阳”。如果有一天,地球真的在星辰大海中遨游,那一刻也是聚变工程在浩瀚宇宙中的一场艺术之旅。

恐怕地球等不到流浪的那一天,人类社会就已经面临能源枯竭的重大问题。根据1998年世界能源委员会发表的统计数据,石油可用50年,天然气可用70年,煤炭可用200年,天然釉可用60年,即使把全部的资源纳入考虑,大约只能用200-300年。据有关资料预测,到本世纪中叶前后,全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力,必需开发新的能源以弥补消费的需求!核聚变便成为人类研究新能源的重中之重。

核聚变——“人造小太阳”,可以最终解决能源问题吗?

人类理想新能源:核聚变

为了回答聚变能可不可以最终解决人类能源问题,首先要清楚聚变的原理是什么?产生聚变的途径和方法如何?

我们目前说的核聚变是指由质量轻的原子(主要是指氢的同位素氘和氚)在超高温条件下,发生原子核互相聚合作用,生成较重的原子核(氦),并释放出巨大的能量。其实,利用轻核聚变原理,人类早已实现了氘氚核聚变---氢弹爆炸。

聚变反应(氘-D与氚-T反应生成氦-He与中子并释放出能量)

因为重水约占自然界水分子的六千七百分之一,所以氘的获取不是问题。而锂是产生氚的材料,氚可以通过如下反应获得:

锂在地球上有比较丰富的儲量,我国可采锂儲量超过数百万吨,粗略估计足够用上几干年。而海水中蕴藏的锂比陆地上多至少一个量级,应该说锂资源也不是问题。

1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。聚变能源实际上是取之不尽的、可供人类使用上亿年。但只有让核聚变反应按照人们的需要,长期持续释放,才能使核聚变发电,实现核聚变能的和平利用。

而实现受控热核反应必须解决两个问题:高温和约束。实现的途径有磁约束,即强磁场来约束高温等离子体;有惯性约束,即利用自身的惯性,在爆炸的极短瞬间,等离子体就被加热到极高温度而发生核聚变反应。

影片中提到了重核聚变,根据设定,行星发动机的燃料是用的岩石。岩石能够作为核聚变材料燃烧吗?当然能。在理论上,任何原子序数低于铁的物质都可以进行核聚变反应。岩石的主要成分是氧(O)和硅(Si),所以,岩石当然可以用来进行核聚变反应的燃料。只是,它们发生核聚变反应的条件太过苛刻,需要的压力和温度是当下人类很难办到的。

聚变工程的征途

地球要圆满地完成流浪任务,只有依靠核聚变。聚变的原理本质上与氢弹相同。氢弹爆炸的那一刻就标志着人类在聚变工程的艺术旅途中跨越了一大步。但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变,瞬间能量释放只能给人类带来灾难。为了实现核聚变能的和平可持续利用,人类便踏上研究可控核聚变的征途。

受控热核聚变研究在二战末期就开始。苏、美、英等国在互相保密的情况下,相继开展了核聚变研究。当时都是采用磁约束方法。

20世纪50年代末建成了一批大型的研究装置,美国仿星器-C、苏联“Огра”(稳态磁镜)、英国“Zeta”(环形箍缩装置)等。60年代后期,苏联的托卡马克装置异军突起,在托卡马克(T-3)装置上取得重大进展。1980年前,各国又建成了一批第2代托卡马克装置:美国的普林斯顿大环(PLT)、苏联的T-10、美国的D-III、德国的ASDEX。20世纪80年代之后,一批大型托卡马克出现:美国的TFTR(1982)和欧共体的JET(1983),是世界上仅有的可以进行氘氚反应实验的装置;还有日本的JT-60(1985)和1991年改建的JT-60U,建成后取得的实验结果达到创记录水平。1991年11月,欧共体JET第一次实现DT聚变反应。

2006年5月24 日,《国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)联合实施协定》在比利时首都布鲁塞尔签署。这标志着ITER计划实质上进入了正式执行阶段,将开始工程建设。

中国的聚变事业也紧追时代的号召,开启了一段中国聚变工程的艺术之旅。1958年,中国科学院原子能研究所开始磁约束聚变的研究;1974年,中国科学院物理所和电工所成功研制CT-6托卡马克;1975年,中国科学院在安徽合肥筹建等离子体物理研究所,一台空心变压器的托卡马克HT-6B在合肥建成;1984年,核工业西南物理研究院研制成功HL-1环流器装置;1991年,中国科学院等离子体物理研究所将原苏联的T-7装置改建为我国第一台超导托卡马克HT-7;1994年,核工业西南物理研究院将HL-1改装成HL-1M;2002年,核工业西南物理研究院利用原来德国的ASDEX装置部分设备建成HL-2A装置;2006年,中科院等离子体物理所建成了世界上第一个非圆截面全超导托卡马克东方超环(EAST);2006年,我国签署参加ITER协议,并制订了发展聚变研究规划;2016年,东方超环EAST实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行。2017年12月5日,中国聚变工程实验堆(CFETR)工程设计在合肥正式启动,中国核聚变研究由此开启新征程。

国际热核聚变实验堆ITER(聚变功率500MW,放电时长400~3000秒)

“希望,是如同钻石一样珍贵的东西。”电影中那个时代的人认为他们所处的那个时代,希望是最弥足珍贵的东西。但我认为对于现下的我们而言,希望,是比钻石还要弥足珍贵的东西。人生在世,只有内心有希望,有向往,有目标,有梦想,才有生活的动力和价值。正如同踏上聚变工程的旅途一样,尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要我们征服,但其美好前景的巨大诱惑力,正吸引着各国科学家奋力攀登。

秦经刚 中国科学院等离子体物理研究所 研究员

王维俊 中国科学院等离子体物理研究所 在读研究生