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韩国人造太阳运行30秒破世界纪录?网友笑称:领先中国71秒

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2021年12月初,多家媒体纷纷爆出新闻《韩国“人造太阳”破世界纪录》,称韩国核聚变装置KSTAR在摄氏1亿度高温下成功维持了30秒!看标题之后有点懵:韩国人这是破了个啥纪录啊?难道中国“东方超环”(EAST)5月创下的1.2亿℃持续101秒不算数?


韩国广播公司称“创造新世界纪录”

为了不冤枉任何人,老周特意搜索了若干外文报道,发现韩国广播公司KBS在其官网11月22日新闻标题中大大地写着:“'Artificial Sun' Sets New World Record at 100 Mln. Degrees for 30 Seconds”("人造太阳"创下30秒1亿度新世界纪录),并且在这篇报道正文部分也反复出现“新世界纪录”的表述。

首先,甭管能坚持多少秒,能在托卡马克实验装置中将超高温等离子体加热到1亿℃,它本身就是件不容易的事情,理论上这是核聚变的一个门槛,只有超过这个温度值,才有可能让氢原子核相互碰撞变成氦核,进而实现核聚变反应。


高温等离子体流在磁腔内运动

截至2021年9月,全世界总共有444座民用核反应堆,这些核电站总发电能力为396吉瓦(GW),是仅次于水电的第二大低碳能源。并且目前全球还有53座核反应堆在建、98座核反应堆规划建设。但是这些核电站全是依靠铀、钚等重元素裂变产生热量发电,尽管核反应堆中的核裂变过程并不会对环境产生污染,但在核燃料开采、制造以及核废料处理等环节中,对环境的危害不容小视。

科学家们多年来努力寻找一种清洁、高效、可持续的能源,希望像太阳那样源源不断地提供能量,这就是核聚变。


太阳核心有极高温度和压强

太阳中心每秒钟约有6亿吨氢聚变成氦,这里的气体压强是地球海平面的2650亿倍,温度高达摄氏1500万度。我们在地球上没办法实现太阳核心那么高的压强,只能通过提升温度来弥补压强的不足。

科学家已经找到将气体加热到1亿℃以上的办法:先将氢同位素氘加热到几千度高温,这时候氘原子外层的电子会与原子核脱离,变成带电的等离子体;再将等离子体注入强磁场的环中让它们高速旋转,粒子在旋转时相互碰撞产生热能,于是温度会不断升高,最后在高温下发生聚变——这就是“托卡马克”解决方案。


托卡马克装置被称为人造太阳

托卡马克的原理大家都明白,但要实现起来却难比登天:

让超环里的氢气极速旋转需要极强的磁场,这意味着非常大的电能输入;

强大的电流会因线圈电阻产生非常高的热量,瞬间烧毁线圈,所以我们需要制造超导线圈,把电阻降下来,而目前超导体都需要在极低温度下才能实现;

托卡马克环内等离子体流的温度超过1亿℃,环外的线圈又要求低于-100℃,因此需要把内部辐射热能快速导出,否则设备会很快爆掉;

目前人类所能掌握的所有材料都没办法承受1亿度高温,常压下石墨在3652℃开始熔化,钨的熔点仅3422℃,托卡马克环内还要抽成真空,使建造材料的选择变得非常艰难。


托卡马克装置腔室

托卡马克装置内部温度越高、持续时间越长,材料就越容易被毁坏,所以怎么取得更高温度、让1亿度以上的高温维持的时间更长,就成了考验一个国家科学技术综合水平的标志。对于我们普通人而言,1秒钟眨眨眼就过去了,而要让托卡马克装置多运行1秒,需要许多科学家付出极大努力。你能多1秒而别的国家做不到,就表明你比人家先进。这也是KBS们闭着眼睛瞎嚷嚷“世界纪录”的重要原因。


中国实现1.2亿℃和101秒持续运行

2021年5月,位于安徽合肥的“东方超环”首次实现1.2亿℃、101秒持续运行的里程碑,这依然仅是核聚变历程中的一小步。未来核聚变电站并不只是运行几十几百秒,它需要保持几百天不间断地产生强大电能。在这个过程中,磁环内部超高温度只是破坏因素之一。

目前最容易实现的核聚变由氢的同位素氘和氚相互碰撞(D+T)生成氦原子核,在此过程中释放出14.1兆电子伏特(MeV)的能量。但D+T核聚变同时还产生一个中子,中子不带电,所以不受磁场约束,它会以极高的速度撞击腔室内壁,把内壁保护材料轰成海绵状,降低其强度。不仅如此,高速中子还可能嵌入内壁材料的原子核,从而将它随机地变成许多种放射性物质。


核聚变对材料构成重大考验

科学家估计,1升海水中所含的氘通过核聚变能产生300升汽油蕴含的能量,虽然也有很大的可能产生放射性废物,但这些物质的半衰期都比较短,核聚变依然比核裂变更安全,因此世界强国始终没有放弃聚变研究的努力。

到目前为止核聚变发电依然是人类追求无尽清洁能源供应的一个美好梦想,实现这个梦想的路还很长,我们需要50年甚至更长时间、还有许许多多困难需要去克服。由此可见,为了延长10秒钟就沾沾自喜,甚至不顾事实瞎吹什么“破世界纪录”,着实是一件可笑的事情。

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