人造太阳有多诱人? 科学家:有了人造太阳,就能有无限能源

小时候那首《种太阳》,很多人都会唱。一颗送南极,一颗送北冰洋,一颗挂冬天,一颗挂晚上。当时听着就是个童话,谁也没当真。

可多家媒体都在报道:中国的"人造太阳"项目在第122,254次实验中,稳定运行了403秒。这个成绩不仅创造了新的世界纪录,也意味着人造太阳技术离商用量产又近了一步。实验结束后,很多在场的工作人员激动落泪。

看新闻的时候你能感觉到,这确实是顶尖科技。但也难免有点想不通:天上明明就挂着一个太阳,干嘛还要人造一个出来? 难道真要像儿歌里唱的那样,一颗送南极、一颗送北冰洋?听起来是厉害,可生态环境哪禁得住这么折腾。

人造太阳不是真的要挂在天上发光发热,它本质是一种利用原子能的装置,之所以叫这个名字,只是因为它的基础原理跟太阳有点像。

如果它开发成功、大规模投入使用,那人类就等于捡到了一张写着"取之不尽、用之不竭"的能源支票,而且是清洁无污染的那种。到时候空调随便开、汽油随便烧,都是小菜一碟。

像海水淡化这种过去因为耗电太多没法大规模开展的工程,也能顺利铺开;各类工厂的生产成本会大幅下降。说得再远一点,将来人类飞向深空,不用再纠结飞船上燃料够不够、外星球有没有石油——只要带上人造太阳,走到哪都有充足能源,太空移民也不再是空谈。

看到这,可能有朋友要问:原子能、无限能源,说的不就是核电站吗?世界上很多国家几十年前就建了,这有啥好稀奇的?其实两者真不一样。

原子能有裂变和聚变两种形式。现有核电站基于核裂变,人造太阳基于核聚变。表面上一字之差,实际上是两码事。

原子是构成普通物质的最小单位,原子里面还有个原子核,包含质子和中子。原子核的结构一旦发生变化,就会释放能量。

比如经过特殊处理的铀,原子核被外来中子一撞就会分裂,释放出巨大能量,同时逃逸出更多中子,又去撞其他原子核,引发连锁反应——这就是核裂变。任由它加速,就是原子弹;用设备把逃逸的中子吸收掉、把节奏踩慢,就成了核电站。

核聚变的路子正好反过来。 有些物质的原子核在高温高压下会"抱团合体",结构一变,也释放巨大能量,同时有中子从里面逃逸出来,携带着能量。

核聚变产生的能量大约是裂变反应的四倍。几克聚变燃料,就能产生一万亿焦耳的热量,够一个人按发达国家的生活标准用上60年。我们头顶那个太阳,就是靠持续核聚变发光发热的,已经稳定烧了46亿年,还能再烧60亿年。

更妙的是,地球上的聚变燃料几乎也是无限的。氘可以直接从海水里提取,全世界海水里大约有40万吨氘,够人类用上100亿年,这个时间甚至比太阳剩下的寿命还长。

有一个直观的说法:每升海水里提取的氘,跟人工制备的氚发生聚变反应后释放的能量,相当于300升汽油、或者336公斤标准煤完全燃烧。海水,很可能就是人类未来的"终极矿藏"。

而且核聚变不产生放射性废物,连温室气体都不排。即便装置坏了,也就是停止发电而已,不会失控、不会大爆炸,是真正意义上的清洁能源。

反观核裂变,铀这些矿物按目前预估只够用1000年到3000多年,之后人类还是要陷入能源危机。用完的燃料带着致命放射性,必须小心封存,一旦泄漏就是大灾难。切尔诺贝利和福岛的教训,到现在还历历在目。

一亿度,地球上没有能装它的锅既然核聚变这么优秀,为什么核电站到现在还只能靠裂变发电?根本原因就一条:造"太阳"的技术门槛太高。

核聚变需要高温高压的特殊环境。真太阳靠强大的引力压力顶着,所以对温度要求相对较低,即便这样也要1500万摄氏度才能维持聚变。

放到地球上,起步价至少一亿度。这是个什么概念?铁的熔点是1538度,目前人类能拿得出手的最耐热合金材料,熔点也只有4126.85度。换句话说,地球上根本找不到能承受核聚变的容器,自然也就没法直接复刻太阳。

所以过去一百年里,人类始终没能把核聚变用来发电。

核聚变的应用成果,只有氢弹这一根独苗——里面包了一套核裂变装置和一套核聚变装置,先由裂变引发一次小核爆制造超高温,凑齐聚变所需条件,再引发大核爆,一次性使用,也就不用操心容器扛不扛得住。

但躺平不是人类的风格,承认造不出扛住一亿度的材料之后,科学家们分两条路继续往前走。

第一条叫惯性约束核聚变,思路简单粗暴。 既然搞大规模聚变太难,那就转向小规模、多次数。说白了,就是把一颗大氢弹里的聚变燃料拆成N份超小份,分N次引爆,既拿到能量,威力又落在设备能扛的范围内。

听着简单,做起来却困难重重。氢弹是靠核裂变来点燃聚变的,但铀等燃料的天生脾气太烈,核裂变的威力压不到安全区间——要么不炸,要炸就整个实验室都能给你抹平。科学家只能另辟蹊径,用高能激光来点火。

美国为此建了一个巨型激光装置,峰值功率超过全美发电站之和。可惜过去很多次实验,聚变产生的能量还没激光消耗的多。近两年才有所突破,但仍然不够稳定。

第二条叫磁约束核聚变,是苏联科学家提的思路。既然摸不得、装不下,那就干脆隔空控制。最好的办法就是磁力。

他们造了一个甜甜圈形状的容器,外面绕上一堆线圈,一通电就产生磁场,把燃料束缚住,让它悬浮在甜甜圈里烧——这样容器就不用直接和超高温亲密接触了。

这套装置精密又复杂,对磁力大小和方向的要求极高,任何软硬件上的一点误差都会让聚变前功尽弃。目前全世界只有极少数国家掌握了磁约束技术,即便掌握了,也大多只能维持很短的聚变时间,远远没到能稳定发电的实用阶段。

中国的两条腿,都在跑中国目前是两条路都在走,投入都不小。惯性约束这边,代表作是神光三装置。而这几天上新闻的人造太阳,是磁约束这边的代表作——全超导托卡马克核聚变实验装置EAST。

参照物摆在这儿:国际上不少同类装置只能在一亿摄氏度下实现约20秒的等离子体放电,而EAST已经能在1.5亿摄氏度条件下实现千秒级长脉冲运行,持续刷新世界纪录。

403秒的成绩,就是在这条曲线上刻下的最新一道。

除了合肥的EAST,位于安徽合肥的聚变堆主机关键系统综合研究设施园区也在紧锣密鼓地推进。中国还深度参与了多国联手打造的ITER项目,这是目前世界上最大的磁约束核聚变装置,预计2025年建成,2035年投入运营。

从儿歌里那个天真的愿望,到今天实验室里跳动的等离子体,人类用了几十年,把幻想一步步逼近现实。

坦白说,人造太阳还在前沿研究阶段,从实验走到实用,可能还要十几年甚至几十年,这条路依然漫长。但过去几十万年里,无数人幻想过无限能源的美好生活,却连实现的路径都摸不着。

我们至少已经看到了希望的曙光,是离能源自由最近的一代。海水里那近乎无穷的氘、装置里被磁场温柔托举着的等离子体、屏幕上不断被刷新的秒数——规则正在悄悄改写。


(财经责编:拓荒牛 )