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中国“人造太阳”实现1亿度运行,这是可能永久解决能源问题的黑科技

科普中心 2018-11-13

中科院等离子体所今天发布消息,我国大科学装置“人造太阳”日前取得重大突破,实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦,等离子体中心电子温度首次达到1亿度,获得的多项实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步,也为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。在中科院SELF讲坛,中国工程院院士李建刚也曾分享过他对“人造太阳”的展望。


李建刚

中国工程院院士

中科院等离子体物理研究所研究员


人造太阳 受控的核聚变装置


大家都知道太阳,但什么是人造太阳?看过钢铁侠的人都知道,钢铁侠里面有一个人造太阳叫托卡马克,像一个磁线圈一样。如果把气体加热到上亿度,它就会发生聚变,可以像太阳一样发出巨大的能量。


如果是现实版的托卡马克的话,中国有两个人造太阳,一个在合肥,另一个在成都,分别叫合肥超环和中国的环流器1号。


太阳为人类产生了很多光和热,万物生长靠太阳。我们想要实现聚变,一个不可控因素就是氢弹。氢弹不能轻易地爆炸,要用原子弹去把它点一下,点到上亿度以后才有可能发生爆炸。



为什么要人造一个太阳?


那么怎样能够实现人造太阳?要把上亿度的温度装到任何容器上都会顷刻之间烟消云灭。于是科学家就想了一个办法:把一团火球——上亿度的等离子体,用磁的方法把它悬浮起来,跟周边的任何容器材料不接触,这个时候就可以把它加热、控制,进而造出太阳。它的模样就像你们吃的甜圈圈。


用这些非常复杂的仪器把上亿度的东西放在中间持续地加热,讲讲很容易,但实际操作非常难。


首先我们需要巨大的磁场,这个磁场要比地球南北级的磁场高两万倍以上,磁场越强越容易收得住。人类之所以没有遭到来自太阳风这种粒子的损害,主要就是靠磁场把这种带电粒子无形之间屏蔽起来。


所以现在要做的就是产生比地球高上万倍的磁场,让这团气体悬浮起来。用的燃料是什么?是海水里面氢的同位素——氘和氚。海水里面的氘有多少呢?它可以让一千个电站使用上百亿年,也就是说该资源是无限的。如果用爱因斯坦的公式计算的话,一杯水里面产生的氘和氚是E=mc2 ,相当于300公升汽油。


它的好处在哪里?首先它没有高放的废料,而我们现在用的裂变电站都是化石燃料,尤其是235,238。一旦发生事故,就会有长达上百万年的放射性废料。


聚变的产物是什么?就是能源中子和氦气。氦气是非常清洁的,当年习总书记实地参观时就问:为什么说聚变是固有的安全性?那时候距离福岛发生核事故刚刚一个月。


它导致事故的概率非常小,只有同时碰到地震和海啸才有可能发生,或许上万年才会出现一次。但现实中最有可能发生的不是这个,而是恐怖分子——可能恐怖分子开个飞机就把它炸了,但聚变电站不怕,因为它聚变的产物就是氦气,只要一停机就没有了。


总结一下,作为资源来讲,它是无限的同时又是清洁的,所以长期以来被科学家认为是未来人类终极能源之一,可以大规模生产。未来可能有20%的可再生能源,但最大规模的一块,即80%一定是靠聚变来维持的。



这个太阳怎么造?


一个一百万千瓦的电站,上海一年大约只需要两个。聚变电站需要多少东西呢?一年一个电站只需要一百公斤的重水和锂;如果换成煤电站的话,一个一百万千瓦的电站需要50万吨煤;如果是核电站的话就需要30吨。


(聚变堆工作原理 图片来源于李建刚)


这就是聚变电站的原理。首先你要有磁笼子,用它形成一个等离子体,再用非常高的温度把它加热到上亿度,加热到上亿度以后就会产生氦和中子,中子就跑到包层材料里进行加热。加热以后,我们通过水把它转换成蒸汽,再通过蒸汽把电给发出去。这就是一个简单的聚变发电原理。


人类在这个方向一共做了50年,进展还是挺大的。我们知道,计算机每1.8年CPU的速度翻一倍,而聚变的发展速度基本上能做到跟它一样快,甚至比它快两个月,差不多16~17个月左右的时间,它的综合参数也能够翻一倍。


聚变最大的问题就是离实现还很遥远,没有像计算机这样家喻户晓。但可以说,聚变在过去50年中已经发展得非常非常快了。几个代表性的成就是在一些发达国家,像美国、欧洲和日本,他们在一些大装置上都同时实现了可控的核聚变。


什么叫可控的?就是跟人没有关系。科学就是可重复,不管是谁去做都是同样的结果,跟仪器没有关系。只要是一样的仪器,美国的人造太阳、欧洲的人造太阳还有日本的人造太阳,结果都是一样地可重复,这就是科学。


我国做到了输出的能量和输入的能量之比等于1.25,即已经有了净输入。这是什么意思?就是说从科学上已经验证了这是可行的,但是工程上可不可行还不知道。


我们产生的磁笼子是用常规铜线做的,消耗了大量的能量。怎么才能不消耗能量呢?如果把温度降下来,一旦电阻等于0的话,消耗的能量顷刻之间就降到0,那么我们就非常容易地拿到了聚变能量。


说起来容易做起来难。我国很多年前就开始做聚变了。托卡马克不是中国人的发明,是苏联人的发明,他们概在1989年的时候有意把一套马克装置送给中国。当时我们所长说这是一个很好的机会,因为当时我们啥都不会。于是就用400万人民币的羽绒、瓷器、中国家具换来了一个1800万卢布的装置。


当时这个装置还是比较好的。为什么?因为在那时候,一个卢布相当于3.6美元,我们花了一年半的时间把它全部拆掉,又花了两年的时间把它装起来,在这上面做了大量的实验,应该说还不错。其他国家在这个装置上面都只能做几秒钟高温,而我们最多能做到60秒钟一千万度,因此成为了全国的十大新闻。


但是这还不行,还不能够做到所有线圈的电阻都等于0,这时候我们就要做超导。什么叫超导呢?就是要把上亿度磁笼子的一团火球悬浮在-269℃的圈子里面。想想看,等于说有两个极端,一个温度在108K以上——一亿度以上,另一个温度是非常冷的,4K,也就是零下269℃。这个是非常难的。


其次,一旦发生聚变的时候——比如氢弹爆炸,只要它发生爆炸的时候就会有强烈的冲击波,它跟周边材料(就是悬浮起来的也不行)发生强相互作用,所以控制要非常精确,精确到零点几个毫米和零点几个毫秒以下,否则只要一偏心,它就碰到什么烧什么。


这件事真是难,难于上青天。为什么?因为美国人在60年代已经上了天、登了月,但是他们到现在也没有做出一个能够真正发电的人造太阳。


从能源的需求来讲,中国比任何一个国家都需要能源。尽管我们相比来说很穷,但是我国几任国家领导人都觉得这件事中国人一定要做。90年代初我们提出这个想法,在全世界率先做一个全超导的托卡马克叫东方超环,能够长时间地做到上亿度,比太阳心部的温度还要高五六倍!


在九五的大工程的国内一百多个提议中,该提议终于胜出,然后我们就开始做这样的装置。做这个装置,第一就是要解决上亿度和零下269度的矛盾。江泽民同志到我们所里去的时候,他也问了这么一个问题。


解决上亿度和零下269度,很多技术必须要用在一起。首先,真正的上亿度的高温要用磁场把它悬浮起来,就是超导,上面全部是线圈。悬浮在中间以后,等离子那里有个火球——蜘蛛侠那个球,温度越高它越要到处跑。比如太阳,因为温度高,所以太阳黑子来了。跑的过程中一定要想办法控制住,让它一定悬浮在中间,不能够上下跑。在不乱跑的情况下,才不会把材料烧坏。


除此之外,能量的损失靠传导、对流和辐射。最小辐射损失就是全部用真空,用五层真空实现了一亿度和零下269度的结合。


在此之前全世界没有人做过,因此所有的东西都需要我们自己做。当时国内的经济不像现在这么好,万元熙院士带领整个团队做了整整十年,突破了很多难点,终于在2006年得到了等离子体,大概几百万度,但是它只有几秒钟时间。


我们想要实现的目标不只是几百万度几秒钟,我们想做得更长。难度在哪里?材料!做聚变,几乎都要用到当今地球上所有材料、技术的极致。比如说,其中要采取的材料是一种最硬的合金——钨合金。在这个空间里,我们要加上上亿的温度让它悬起来,同时还要防止冲击波。只要有冲击波的强放射,就要赶快把它拿走、抽走。这里用的大抽速是零下269度的低温棒。



中国聚变之路


有了装置以后,我们就觉得应该去做一个更大的事情——验证工程的可行性。


大约在1985年,尽管是冷战的时候,里根和戈尔巴乔夫也谈了一件象征着人类美好前景的事情——在地球上建一个人造太阳。这个人造太阳是50万千瓦,跟现在的发电站差不多。


谈判确定一共有七方参加,欧盟占最大一块45%,其他的六方——中国、日本、美国、韩国、印度各占9%,共出资100亿欧元,要在法国Cadarache(卡达拉舍)建世界第一个真正意义上的人造太阳,叫国际热核聚变实验堆ITER。它要运行20年,即需要能够在大规模的、几十万千瓦的基础上运行很长时间。这就是要验证聚变的工程可行性。到底规模有没有这么大,这么大的规模以后行不行?这里牵扯到特别多的技术。这是中国参加的一个最大的国际合作项目,价钱是100亿欧元,其中中国占9%,也是9亿欧元,这是一个很大的数字。


首先它要形成的磁笼一共有18段,像橘子瓣一样。这是什么概念?波音747重量370吨,这一个线圈在360吨左右;价钱也是差不多的,波音747是2.6亿美元,这大概是2.8亿欧元。


我们国家在参加ITER之前是生产短样的。绕这么一个线圈,里面要将近十万米导线,重150吨。我们国家在参加这个国际合作之前,四十年之间只产生了36公斤短样。


ITER使得国内的企业发展得非常好,已经形成了全世界最先进的技术,规模和产量也是最大的。西安的有色金属研究院、西部超导公司现在一年可以生产150吨;除此之外,国内的核磁共振、GE的所有线几乎超过一半都是ITER的材料在供应;还有我国航母的歼15的起落架,飞机落地的一刹那冲击力非常大,所以对材料的要求非常之高,用ITER上面的材料终于解决了航母的起落架的问题。这是第一个例子。


(核导 图片来源于李建刚)


第二个例子。刚才说的上亿度的东西的第一层屏蔽叫核导,长得像多脚的怪兽一样。它有多重?一百年前的埃菲尔铁塔是7300吨,而这个有8000吨,所以这个材料要难得多。这是一种特殊的不锈钢,它首先要降到零下269度,同时它要耐强辐射,我们国家在参加ITER之前从来没有生产过。参加ITER之后,通过跟国际合作,山西太钢现在可以年产15000吨,得到了很大的发展。


尽管聚变能离我们还是很遥远,但是通过国际合作,中间产生的过程和技术都能够非常好地用在国民经济上。



未来中国的聚变到底怎么做?60年内实现商用


未来中国的聚变到底怎么做?咱们的聚变到底什么时候才能实现?


我们现在正在做实验装置、参加ITER,但是希望十年以后能建造中国自己的工程堆,这样才能够验证发电。有了这个东西以后,在50年到60年之间就能商用化。


这是我们设计的中国工程聚变堆,里面有一个主机装置。这个设计象征着大鹏展翅腾飞,象征着人类追求聚变的梦想,象征中华民族腾飞的梦想。

经过二三十年的努力,真正的人造太阳会冉冉升起,对中国来讲,聚变的需求比任何一个国家都急迫。


1982年我到了合肥的一座非常偏僻的岛上——董铺岛,一做就是34年。非常有幸,作为一个中国的科学家,每一任领导都到过现场,这给了我们很高的鼓励,也包括俄罗斯的总理,他们都说过同样一句话——中国需要能源,中国一定要在人类实现这种聚变的路上起到不可取代的作用。


50年前,人类就有个梦想——希望实现人造太阳。上大学的时候,我也有这个梦想。我希望在有生之年能够做出人造太阳,让没有被文明照亮的地方被聚变能点亮。


作为一个中国人,我希望第一个聚变电站是最好的,而且必须要建在中国。