【原】50000000度的高溫如何控制？人造太陽必將成為未來新型能源！

制造原理 2020-02-15

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文：制造原理

Hello大家好，我是風(fēng)云哥。我們都知道在銀河系中存在著2000多億顆恒星，太陽作為其中一顆普通的恒星卻對人類的生存起到了至關(guān)重要的因素。事實上地球絕大多數(shù)能量就來源于這顆燃燒了50億年之久的恒星，可以說沒有太陽就不會有地球上繁榮的生命。

諸如煤炭、石油、天然氣這些不可再生能源，雖然為我們?nèi)祟惖陌l(fā)展立下了汗馬功勞，但終有一天將會耗盡，人類始終都面對著不可回避的問題，那就是能源危機。從根本上解決這一問題就在于尋找新能源，可控核能技術(shù)理所當然的成為了各國研究的對象。

核能的本質(zhì)是通過核反應(yīng)，得到從原子核釋放出的能量。一般意義上我們可以通過三種途徑來獲得核能。其一是由核裂變獲得能量，較重的原子核分裂釋放結(jié)合能。其二是由核聚變獲得能量，較輕的原子核聚合在一起釋放結(jié)合能。其三是由核衰變獲得能量，原子核自發(fā)衰變過程中釋放能量。

不論是通過核裂變獲得能量的原子彈，還是通過核聚變獲得比原子彈厲害得多的氫彈。這都算不上對人類多光彩的事情，這種不可控的核反應(yīng)無異于是一場災(zāi)難。隨著社會的發(fā)展，將核能和平利用才是真正的造福人類。

基于核裂變原理，人類制造出了可控鏈式裂變反應(yīng)堆。但是這種反應(yīng)堆無法避免的產(chǎn)生了大量核廢料和嚴重的輻射危害，在核反應(yīng)堆不長的歷史上就爆發(fā)過諸如切爾諾貝利，美國三里島，日本福島核電站等的災(zāi)難性核事故，核烏云一度籠罩在地球之上。

面對如此嚴峻的問題，其實解決方案一直都給地球提供能量的太陽身上。太陽無時不刻不在發(fā)生著核聚變反應(yīng)，而且核聚變不會產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，不產(chǎn)生核廢料，當然也不產(chǎn)生溫室氣體，基本不污染環(huán)境。但是想要對核聚變進行可控制化管理并不是一件容易的事情。

最初的核聚變研究都是作為各國的最高機密，由各國各自進行。但是其研究難度和投入的人力物力是任何一個國家也無法承擔的。最終由美俄兩國發(fā)起，中、日、韓、印、歐盟七方共同參與的國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆與2006年成立，也被人們形象地稱為人造太陽計劃。

太陽的反應(yīng)機制是由于兩個氫原子在引力作用下集中到太陽核心超高溫和超高壓的環(huán)境下克服原子間的庫侖力進行聚變生成氦的同時釋放出巨大的能量。如果我們要合理利用這種能量，就必須找到一種可以包裹和支持反應(yīng)的容器，這就是人造太陽的核心“托卡馬克裝置”其必須要承擔的起50000000度的反應(yīng)溫度。

事實上人類利用核聚變原理生產(chǎn)的氫彈并不能很好的解釋人造太陽的原理，因為氫彈內(nèi)部是利用兩個氫原子的同位素氘（重氫）在核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的能量下聚合成氦，但是這種反應(yīng)以我們?nèi)祟惉F(xiàn)有條件下，根本無法控制氘-氘反應(yīng)，反應(yīng)的需要的條件和烈度沒有任何一種容器可以容納，后果就是一場核爆。

還好，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氫的同位素氘（重氫）和氚（超重氫）也可以發(fā)生核聚變產(chǎn)生能量并聚合成一個氦核。氘（重氫）、氚（超重氫）反應(yīng)的烈度要小很多，它的反應(yīng)速度僅僅是氘（重氫）、氘（重氫）反應(yīng)的1％，而點火溫度低得多，很適合人類現(xiàn)有條件下的利用。

想要建造人造太陽，似乎指日可待，我們只要獲得氘（重氫）和氚（超重氫）作為原料進行反應(yīng)就可以了。但是氘（重氫）可以從海水里通過精餾得到重水通過電解得到。而氚（超重氫）半衰期只有12或26年，所以在地球誕生之初的氚早已衰變地?zé)o影無蹤了。自然界中是不存在氚（超重氫）的。

在這個問題上，科學(xué)家早已經(jīng)找到了解決辦法。鋰的兩種同位素，鋰-6和鋰-7，在被中子轟擊之后，就會裂變生成氦核和氚（超重氫）至此，人造太陽的兩種反應(yīng)原材料都找齊了，我們就需要對人造太陽的反應(yīng)機制進行優(yōu)化了。

事實上，在聚變反應(yīng)堆內(nèi)部的氚和氘反應(yīng)后，除了形成一個氦原子核之外，還有一個多余的中子，并且能量很高。這一個高能中子正好可以用來轟擊鋰的兩種同位素，鋰-6和鋰-7，從而使鋰原子裂變產(chǎn)生新的氚（超重氫），而這個新產(chǎn)生的氚（超重氫）又繼續(xù)可以參加氘、氚反應(yīng)，并且將反應(yīng)繼續(xù)維持下去。我們在人造太陽的計劃中只需要提供氘原子核和鋰就可以維持反應(yīng)。

原料和理論都已經(jīng)準備好了，現(xiàn)階段人造太陽的瓶頸就在于前面提到的“托卡馬克裝置”那個可以容納反應(yīng)，-收集并且利用能量的“罐子”。要知道，核聚變的溫度和能量是一般容器根本無法承擔的，那這個“托卡馬克裝置”究竟是怎么做到的呢？

超導(dǎo)托卡馬克裝置實質(zhì)上一種利用磁約束和真空絕熱來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器，同時還要負責(zé)真空系統(tǒng)、產(chǎn)氚（超重氫）系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、液氮液氦系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等。涉及到了超導(dǎo)技術(shù)，超高溫耐受技術(shù)，等離子技術(shù)，核物理學(xué)等高精尖技術(shù)領(lǐng)域。