太阳核心处的温度高达1500万摄氏度,而要在地球上实现可控核聚变,需要创造出人造小太阳,聚变装置中的高温等离子体的温度需要保持在1亿度以上。
之所以要让温度达到如此之高,因为人类在地球上无法创造出太阳内部那样的超高压环境,只能通过提高温度来让氢核发生聚变。
位于合肥的中科院等离子体研究所的EAST全超导托卡马克装置(简称EAST装置),是我国在核聚变研究领域的重器,这可是全世界第1个全超导托卡马克装置,在2009年的时候便首次试验成功。
去年该装置创造了好几个世界纪录,其中一个就是在7000万摄氏度的高温下,让高温等离子体运行了1056秒(17.6分钟);此外,EAST还在1.2亿摄氏度下,实现了101秒的运行时长;在温度更高的1.6亿摄氏度上,则保持了20秒。
可不要小瞧这短短的几十上百秒,每一次突破都意味着我们离掌握可控核聚变技术更近了一步。除了EAST,我国四川成都还有一个名叫环流器2号的托卡马克装置。
在核聚变研究方面,韩国也走在了世界前列,早在2020年的时候,韩国超导托卡马克高级研究装置KSTAR,在1亿摄氏度上,就维持运行了20多秒。不过几年过去了,韩国的KSTAR并未再次获得较大突破。
上亿度的高温没有容器能够承载,必须要让高温等离子体像太阳那样悬浮在空中,托卡马克就是一种使用超强的磁场控制约束高温等离子体,并实现核聚变的装置。超导体能够产生极强的磁场,因此全超导托卡马克装置具有更强的磁约束能力。
让等离子体保持在1亿摄氏度的高温下,并使运行时间超过10秒,目前全世界上仅有少数几个国家能够办到。我国目前已实现百秒突破,未来如果能够在1亿摄氏度以上的高温下使运行时间超过1000秒,那可控核聚变的实现之日就不远了。
上个世纪,在可控核聚变研究领域处于领先地位的是苏联、美国、日本和欧洲,而如今全球在该领域处于前沿的国家主要有美国、日本、中国、韩国和英国。
(两种典型的磁约束聚变装置的结构示意图,图中左为托卡马克,右为仿星器)
托卡马克、仿星器用的是磁约束,不同于中韩,美国现阶段主要的研究方向是激光惯性约束,其代表设施是美国国家点火装置(NIF),这是一种激光聚变装置,目前已经能够实现输入能量与输出能量的平衡。美国在激光聚变研究领域目前处于世界前沿地位。
中美目前在核聚变研究领域都处于世界先进水平,但主要研究方向不同,一个是下象棋的高手,一个是下围棋的高手,两者之间没有可比性。至于磁约束和激光惯性约束,哪一个才是最终的发展方向,目前谁也说不准。
国际上很早便整了一个热核合作项目——国际热核聚变实验堆(ITER)计划,参与该计划的有中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国。该计划是有钱的出钱,有技术的出技术,希望通过全人类的共同努力来攻克技术难关,不过并没有想象中那么美好,进展并不大。
可控核聚变技术是人类的未来,如果有可能,还是希望能够集合全人类的智慧,在本世纪中叶实现可控核聚变技术的实用化。
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