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                  安徽省科普產品工程研究中心有限責任公司

                  中國“人造太陽”實現1億度運行,這是可能永久解決能源問題的黑科技

                  科普中心 2018-11-13

                  中科院等離子體所今天發布消息,我國大科學裝置“人造太陽”日前取得重大突破,實現加熱功率超過10兆瓦,等離子體儲能增加到300千焦,等離子體中心電子溫度首次達到1億度,獲得的多項實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件,朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步,也為人類開發利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術基礎。在中科院SELF講壇,中國工程院院士李建剛也曾分享過他對“人造太陽”的展望。


                  李建剛

                  中國工程院院士

                  中科院等離子體物理研究所研究員


                  人造太陽 受控的核聚變裝置


                  大家都知道太陽,但什么是人造太陽?看過鋼鐵俠的人都知道,鋼鐵俠里面有一個人造太陽叫托卡馬克,像一個磁線圈一樣。如果把氣體加熱到上億度,它就會發生聚變,可以像太陽一樣發出巨大的能量。


                  如果是現實版的托卡馬克的話,中國有兩個人造太陽,一個在合肥,另一個在成都,分別叫合肥超環和中國的環流器1號。


                  太陽為人類產生了很多光和熱,萬物生長靠太陽。我們想要實現聚變,一個不可控因素就是氫彈。氫彈不能輕易地爆炸,要用原子彈去把它點一下,點到上億度以后才有可能發生爆炸。



                  為什么要人造一個太陽?


                  那么怎樣能夠實現人造太陽?要把上億度的溫度裝到任何容器上都會頃刻之間煙消云滅。于是科學家就想了一個辦法:把一團火球——上億度的等離子體,用磁的方法把它懸浮起來,跟周邊的任何容器材料不接觸,這個時候就可以把它加熱、控制,進而造出太陽。它的模樣就像你們吃的甜圈圈。


                  用這些非常復雜的儀器把上億度的東西放在中間持續地加熱,講講很容易,但實際操作非常難。


                  首先我們需要巨大的磁場,這個磁場要比地球南北級的磁場高兩萬倍以上,磁場越強越容易收得住。人類之所以沒有遭到來自太陽風這種粒子的損害,主要就是靠磁場把這種帶電粒子無形之間屏蔽起來。


                  所以現在要做的就是產生比地球高上萬倍的磁場,讓這團氣體懸浮起來。用的燃料是什么?是海水里面氫的同位素——氘和氚。海水里面的氘有多少呢?它可以讓一千個電站使用上百億年,也就是說該資源是無限的。如果用愛因斯坦的公式計算的話,一杯水里面產生的氘和氚是E=mc2 ,相當于300公升汽油。


                  它的好處在哪里?首先它沒有高放的廢料,而我們現在用的裂變電站都是化石燃料,尤其是235,238。一旦發生事故,就會有長達上百萬年的放射性廢料。


                  聚變的產物是什么?就是能源中子和氦氣。氦氣是非常清潔的,當年習總書記實地參觀時就問:為什么說聚變是固有的安全性?那時候距離福島發生核事故剛剛一個月。


                  它導致事故的概率非常小,只有同時碰到地震和海嘯才有可能發生,或許上萬年才會出現一次。但現實中最有可能發生的不是這個,而是恐怖分子——可能恐怖分子開個飛機就把它炸了,但聚變電站不怕,因為它聚變的產物就是氦氣,只要一停機就沒有了。


                  總結一下,作為資源來講,它是無限的同時又是清潔的,所以長期以來被科學家認為是未來人類終極能源之一,可以大規模生產。未來可能有20%的可再生能源,但最大規模的一塊,即80%一定是靠聚變來維持的。



                  這個太陽怎么造?


                  一個一百萬千瓦的電站,上海一年大約只需要兩個。聚變電站需要多少東西呢?一年一個電站只需要一百公斤的重水和鋰;如果換成煤電站的話,一個一百萬千瓦的電站需要50萬噸煤;如果是核電站的話就需要30噸。


                  (聚變堆工作原理 圖片來源于李建剛)


                  這就是聚變電站的原理。首先你要有磁籠子,用它形成一個等離子體,再用非常高的溫度把它加熱到上億度,加熱到上億度以后就會產生氦和中子,中子就跑到包層材料里進行加熱。加熱以后,我們通過水把它轉換成蒸汽,再通過蒸汽把電給發出去。這就是一個簡單的聚變發電原理。


                  人類在這個方向一共做了50年,進展還是挺大的。我們知道,計算機每1.8年CPU的速度翻一倍,而聚變的發展速度基本上能做到跟它一樣快,甚至比它快兩個月,差不多16~17個月左右的時間,它的綜合參數也能夠翻一倍。


                  聚變最大的問題就是離實現還很遙遠,沒有像計算機這樣家喻戶曉。但可以說,聚變在過去50年中已經發展得非常非??炝?。幾個代表性的成就是在一些發達國家,像美國、歐洲和日本,他們在一些大裝置上都同時實現了可控的核聚變。


                  什么叫可控的?就是跟人沒有關系??茖W就是可重復,不管是誰去做都是同樣的結果,跟儀器沒有關系。只要是一樣的儀器,美國的人造太陽、歐洲的人造太陽還有日本的人造太陽,結果都是一樣地可重復,這就是科學。


                  我國做到了輸出的能量和輸入的能量之比等于1.25,即已經有了凈輸入。這是什么意思?就是說從科學上已經驗證了這是可行的,但是工程上可不可行還不知道。


                  我們產生的磁籠子是用常規銅線做的,消耗了大量的能量。怎么才能不消耗能量呢?如果把溫度降下來,一旦電阻等于0的話,消耗的能量頃刻之間就降到0,那么我們就非常容易地拿到了聚變能量。


                  說起來容易做起來難。我國很多年前就開始做聚變了。托卡馬克不是中國人的發明,是蘇聯人的發明,他們概在1989年的時候有意把一套馬克裝置送給中國。當時我們所長說這是一個很好的機會,因為當時我們啥都不會。于是就用400萬人民幣的羽絨、瓷器、中國家具換來了一個1800萬盧布的裝置。


                  當時這個裝置還是比較好的。為什么?因為在那時候,一個盧布相當于3.6美元,我們花了一年半的時間把它全部拆掉,又花了兩年的時間把它裝起來,在這上面做了大量的實驗,應該說還不錯。其他國家在這個裝置上面都只能做幾秒鐘高溫,而我們最多能做到60秒鐘一千萬度,因此成為了全國的十大新聞。


                  但是這還不行,還不能夠做到所有線圈的電阻都等于0,這時候我們就要做超導。什么叫超導呢?就是要把上億度磁籠子的一團火球懸浮在-269℃的圈子里面。想想看,等于說有兩個極端,一個溫度在108K以上——一億度以上,另一個溫度是非常冷的,4K,也就是零下269℃。這個是非常難的。


                  其次,一旦發生聚變的時候——比如氫彈爆炸,只要它發生爆炸的時候就會有強烈的沖擊波,它跟周邊材料(就是懸浮起來的也不行)發生強相互作用,所以控制要非常精確,精確到零點幾個毫米和零點幾個毫秒以下,否則只要一偏心,它就碰到什么燒什么。


                  這件事真是難,難于上青天。為什么?因為美國人在60年代已經上了天、登了月,但是他們到現在也沒有做出一個能夠真正發電的人造太陽。


                  從能源的需求來講,中國比任何一個國家都需要能源。盡管我們相比來說很窮,但是我國幾任國家領導人都覺得這件事中國人一定要做。90年代初我們提出這個想法,在全世界率先做一個全超導的托卡馬克叫東方超環,能夠長時間地做到上億度,比太陽心部的溫度還要高五六倍!


                  在九五的大工程的國內一百多個提議中,該提議終于勝出,然后我們就開始做這樣的裝置。做這個裝置,第一就是要解決上億度和零下269度的矛盾。江澤民同志到我們所里去的時候,他也問了這么一個問題。


                  解決上億度和零下269度,很多技術必須要用在一起。首先,真正的上億度的高溫要用磁場把它懸浮起來,就是超導,上面全部是線圈。懸浮在中間以后,等離子那里有個火球——蜘蛛俠那個球,溫度越高它越要到處跑。比如太陽,因為溫度高,所以太陽黑子來了。跑的過程中一定要想辦法控制住,讓它一定懸浮在中間,不能夠上下跑。在不亂跑的情況下,才不會把材料燒壞。


                  除此之外,能量的損失靠傳導、對流和輻射。最小輻射損失就是全部用真空,用五層真空實現了一億度和零下269度的結合。


                  在此之前全世界沒有人做過,因此所有的東西都需要我們自己做。當時國內的經濟不像現在這么好,萬元熙院士帶領整個團隊做了整整十年,突破了很多難點,終于在2006年得到了等離子體,大概幾百萬度,但是它只有幾秒鐘時間。


                  我們想要實現的目標不只是幾百萬度幾秒鐘,我們想做得更長。難度在哪里?材料!做聚變,幾乎都要用到當今地球上所有材料、技術的極致。比如說,其中要采取的材料是一種最硬的合金——鎢合金。在這個空間里,我們要加上上億的溫度讓它懸起來,同時還要防止沖擊波。只要有沖擊波的強放射,就要趕快把它拿走、抽走。這里用的大抽速是零下269度的低溫棒。



                  中國聚變之路


                  有了裝置以后,我們就覺得應該去做一個更大的事情——驗證工程的可行性。


                  大約在1985年,盡管是冷戰的時候,里根和戈爾巴喬夫也談了一件象征著人類美好前景的事情——在地球上建一個人造太陽。這個人造太陽是50萬千瓦,跟現在的發電站差不多。


                  談判確定一共有七方參加,歐盟占最大一塊45%,其他的六方——中國、日本、美國、韓國、印度各占9%,共出資100億歐元,要在法國Cadarache(卡達拉舍)建世界第一個真正意義上的人造太陽,叫國際熱核聚變實驗堆ITER。它要運行20年,即需要能夠在大規模的、幾十萬千瓦的基礎上運行很長時間。這就是要驗證聚變的工程可行性。到底規模有沒有這么大,這么大的規模以后行不行?這里牽扯到特別多的技術。這是中國參加的一個最大的國際合作項目,價錢是100億歐元,其中中國占9%,也是9億歐元,這是一個很大的數字。


                  首先它要形成的磁籠一共有18段,像橘子瓣一樣。這是什么概念?波音747重量370噸,這一個線圈在360噸左右;價錢也是差不多的,波音747是2.6億美元,這大概是2.8億歐元。


                  我們國家在參加ITER之前是生產短樣的。繞這么一個線圈,里面要將近十萬米導線,重150噸。我們國家在參加這個國際合作之前,四十年之間只產生了36公斤短樣。


                  ITER使得國內的企業發展得非常好,已經形成了全世界最先進的技術,規模和產量也是最大的。西安的有色金屬研究院、西部超導公司現在一年可以生產150噸;除此之外,國內的核磁共振、GE的所有線幾乎超過一半都是ITER的材料在供應;還有我國航母的殲15的起落架,飛機落地的一剎那沖擊力非常大,所以對材料的要求非常之高,用ITER上面的材料終于解決了航母的起落架的問題。這是第一個例子。


                  (核導 圖片來源于李建剛)


                  第二個例子。剛才說的上億度的東西的第一層屏蔽叫核導,長得像多腳的怪獸一樣。它有多重?一百年前的埃菲爾鐵塔是7300噸,而這個有8000噸,所以這個材料要難得多。這是一種特殊的不銹鋼,它首先要降到零下269度,同時它要耐強輻射,我們國家在參加ITER之前從來沒有生產過。參加ITER之后,通過跟國際合作,山西太鋼現在可以年產15000噸,得到了很大的發展。


                  盡管聚變能離我們還是很遙遠,但是通過國際合作,中間產生的過程和技術都能夠非常好地用在國民經濟上。



                  未來中國的聚變到底怎么做?60年內實現商用


                  未來中國的聚變到底怎么做?咱們的聚變到底什么時候才能實現?


                  我們現在正在做實驗裝置、參加ITER,但是希望十年以后能建造中國自己的工程堆,這樣才能夠驗證發電。有了這個東西以后,在50年到60年之間就能商用化。


                  這是我們設計的中國工程聚變堆,里面有一個主機裝置。這個設計象征著大鵬展翅騰飛,象征著人類追求聚變的夢想,象征中華民族騰飛的夢想。

                  經過二三十年的努力,真正的人造太陽會冉冉升起,對中國來講,聚變的需求比任何一個國家都急迫。


                  1982年我到了合肥的一座非常偏僻的島上——董鋪島,一做就是34年。非常有幸,作為一個中國的科學家,每一任領導都到過現場,這給了我們很高的鼓勵,也包括俄羅斯的總理,他們都說過同樣一句話——中國需要能源,中國一定要在人類實現這種聚變的路上起到不可取代的作用。


                  50年前,人類就有個夢想——希望實現人造太陽。上大學的時候,我也有這個夢想。我希望在有生之年能夠做出人造太陽,讓沒有被文明照亮的地方被聚變能點亮。


                  作為一個中國人,我希望第一個聚變電站是最好的,而且必須要建在中國。

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