在可控核聚变的道路上,中国走到了哪一步

2016-12-13 04:46:30 来源: 观察者网(上海)
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(原标题:袁岚峰:在可控核聚变的道路上,中国走到了哪一步)

最近,中国在核聚变领域连续取得重大突破。2016年11月初,中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的EAST(先进超导托卡马克实验装置),成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。

在可控核聚变的道路上,中国走到了哪一步

10月24日,中国科研人员在升级全超导托卡马克核聚变实验装置

12月10日,《新闻联播》播发了我国研制的核聚变堆核心部件在国际上率先通过认证的消息,这是我国对国际热核聚变实验堆项目的重大贡献。

在可控核聚变的道路上,中国走到了哪一步

我国率先突破核聚变工程核心技术

如何理解这些突破?核聚变的原理是什么?意义何在?本文将解答这些问题。

爱因斯坦质能方程

核聚变最基本的原理是什么?或者说,如果我们发现了一个外星文明,想知道他们是否可能已经掌握了聚变技术,我们要关注的是什么?答案是爱因斯坦的质能方程E = mc2,E是能量,m是质量,c是光速(约为30万公里每秒)。外星文明如果知道这个关系式,我们就要当心了,他们有可能已经会核聚变了,而且有大得多的可能会核裂变。他们说不定会跨越星海杀过来(《三体》爱好者请举手),即使不能,至少可以拿原子弹抵御我们。如果他们不知道,那我们可以放宽心,他们的技术最多只是到导弹这个层次,没有核武器,肯定不是我们的对手。

E =mc2很可能是历史上最著名的科学公式,以至于霍金虽然听说“每个公式都会使你的读者减半”,还是在《时间简史》中写上了这个公式。可是盛名之下,大多数人对它的意义,我相信,还是似懂非懂。(敲黑板)那么我们开始上课了!

这个方程的形式极其简单,内涵却极其深邃,在美学欣赏的意义上,妙到毫巅。

质能方程究竟说的是什么呢?它说的是,任何质量m必定对应mc2的能量,任何能量E也必定对应E/c2的质量。由于光速c是个常数,所以我们可以理解为:质量和能量是同一个东西的两种表示方法,或者说压根就是同一个东西。具体一点说,一个质量为m的物体,比如说一块铁,一个光子,或者一个人,无论它是静止的还是在运动中,只要它有这个质量m,就有相应的能量mc2。反过来,一个能量为E的物体,比如说一块铁,一个光子,或者一个人,无论它是静止的还是在运动中,只要它有这个能量E,就有相应的质量E/c2。当物体的能量发生变化时,质量必然相应变化。反之,当物体的质量发生变化时,能量也必然相应变化。

上面的话可能让很多人迷糊了。我时常处于静止中,咋没觉得自己身上有这么大的能量呢?回答是:能量的绝对值是无法测量的,可测量的是相对值。你的质量乘以c2得到的能量,指的是把你转换成无质量的虚空所放出的能量——没错,破碎虚空!现在还没办法把一个人变成虚空,所以这超级巨大的能量根本放不出来。你平时走路、跑步、刷微博所消耗的能量,确实会反映为你的质量的变化,但这点变化实在太小了,超出仪器的探测能力。

有人会问:光子的质量不是零吗?这里的关键是要搞清,质量分为静质量和动质量。静质量是物体在静止状态下的质量,动质量是物体在运动状态下的质量。静止的物体运动起来,动能增加了,就会增加相应的质量,所以动质量总是大于静质量。我们平常说光子的质量为零,指的是静质量为零。但由于光子在以光速运动,具有能量,所以它的动质量并不为零。而像铁块或者人这样的物质,在静止状态下质量就不为零,在运动状态下质量也会变化。在日常生活中,铁块或人的这点质量变化小得无法观测。但如果速度非常高,跟光速可以比较,那质量变化就会显著了。

现在我们可以回答一个令许多人迷惑的问题:有能量守恒定律,也有质量守恒定律,那么这两个定律究竟是什么关系?是等价的?还是一个是精确的,另一个是近似的?实际上,能量守恒定律是一个完全精确的定律,或者说物理学家愿意为了捍卫它战斗到最后一滴血。每当发现能量似乎不守恒的实验结果,物理学家的第一反应就是某些能量被遗漏了,然后拼命去找,绝不会不做抵抗就放弃能量守恒定律,而到目前为止他们每次也都能找到。质量守恒定律就有点微妙了。根据质能关系,质量跟能量只是差一个常数比例而已,那么能量守恒当然就等价于质量守恒。

在这个意义上,质量守恒定律也是一个完全精确的定律。但要注意,这里说的是动质量,静质量可没有理由守恒。然而我们平时说的质量守恒定律,指的却是静质量,例如说化学反应前后质量不变,证据就是拿天平称一称,反应物和生成物的质量确实相等。这就出问题了。实际应该是,反应物和生成物的静质量不相等!双方的静质量差,就对应于反应中的能量变化,即化学能。如果反应放出能量,生成物的质量就小于反应物。如果反应吸收能量,生成物的质量就大于反应物。

那位说了,道尔顿和化学工程师用了这么多年的质量守恒定律,怎么没出毛病?回答也很简单,质量变化太小,测不出来。跟静质量中蕴含的巨大能量相比,化学能实在是微不足道。所以日常用的(静)质量守恒定律仍然是一个相当准确的定律,但要注意,它的准确程度就比能量守恒定律低一级了,因为它依赖于“能量变化远小于静质量对应的能量”这个条件,本质上是近似的。

明白了这些之后,就会发现质能关系还有一大妙处:只需要知道一个变化前后的静质量差就能预测能量变化,而不需要知道变化的细节。这个特点让核裂变与核聚变一下子就变成了可以利用的现象——在我们找到实现它们的办法之前!

核反应

在我上高中的时候,就发现了化学课本上一件奇怪的事。课本说质子的质量是1.0073个原子质量单位(atomic mass unit,缩写为amu,等于1.6605 × 10-27 kg),中子的质量是1.0087 amu。然而原子质量单位的定义是碳12原子质量的1/12,也就是说碳12原子的质量就是12 amu。那么问题来了,碳12原子中有6个质子、6个中子,它们的质量加起来就已经超过12 amu。这还没算12个电子呢。质量怎么不守恒了?

现在我们明白,不守恒就对了。6个质子和6个中子放在一起质量减小,是因为它们(统称核子)结合成原子核时放出了大量的能量。这个能量远远大于平时见到的化学能,所以质量的变化(往往称为质量亏损)十分可观。推而广之,其它各种原子核的质量都不等于组成它的质子与中子的质量之和,质量亏损有的多有的少,取决于核子结合的强弱。

既然不同原子核中核子结合的强弱不同,那么就有可能让结合弱的原子核中的核子重新整合成结合强的原子核,放出大量的能量。这就好比化学反应,分子中原子的结合有强有弱,让结合弱的分子(如炸药分子和氧气分子)重组成为结合强的分子,就会放出化学能。原子核的重新组合,称为核反应。核反应可以是大的原子核分裂成几个小的原子核,称为裂变,也可以是几个小的原子核合并成大的原子核,称为聚变。化学能跟核裂变、核聚变的能量都对应质量的变化,只是化学反应的质量变化远远小于核反应的质量变化,所以很少用质量变化来描述化学反应,而在描述核反应时质量变化就是最常用的说法。

1千克铀238核裂变能产生的能量相当于2500吨煤。核聚变就更不得了,每一升水中约含有30毫克氘(氢的同位素,占氢的1/7000,也称重氢,原子核包括一个质子和一个中子,而普通的氢原子核就是一个质子),通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油的热能。地球上仅海水中就含有45万亿吨氘,足够人类使用上百亿年。还有人提出到月球上去采集核燃料。

发现了如此强大的能源,人类从此过上了幸福的生活……啊不,质能方程给我们的只是一个潜在的可能性,真要实现核反应,需要的工作可就多了。无数的科学家和工程师从此过上了疲于奔命的生活。

恒星的孩子

古往今来,对太阳的崇拜遍及许多宗教和无数人,但谁也不知道太阳发光发热的根源是什么。直到1938年,美国物理学家汉斯·贝特(Hans Albrecht Bethe,1967年诺贝尔物理学奖得主,1906 - 2005,享年99岁的超级硬朗老爷子)才发现太阳的能量来自于核聚变。《费曼物理学讲义》提到,那天晚上他和女朋友出去散步,女生说:“天上的星星好美呀!”贝特说:“是的,然而现在我是世上唯一知道它们为什么闪烁的人。”女生笑笑,没说话。科学家的浪漫,真是令人忧伤的故事……

在可控核聚变的道路上,中国走到了哪一步

汉斯·贝特

在一般的条件下,核聚变是不会发生的。但在太阳中心,1500万度的高温和2000亿个大气压的高压下,氢就可以聚变成氦了。这样的反应已经进行了46亿年,向外发出了巨大的能量。其中很微小的一部分落到地球上,就滋养了地球丰富的生态圈和整个人类。大自然的安排多么不可思议!

再过50亿年,太阳将变成红巨星,氦开始聚变生成碳。到那时,太阳的体积会剧增,把地球吞噬掉(是的,不从地球移民出去,人类的命运就是被太阳吞噬)。在后面的演化阶段,碳还会聚变成更重的原子核。但是要注意,核子结合最紧密的原子核是铁,也就是说,放出能量的核反应,到铁这里就结束了,再聚合就只能吸收能量了。在恒星演化的最后阶段,有可能吸收能量生成铁之后的元素,这是宇宙中产生这些重元素的唯一途径。也就是说,地球上的重元素必然是上一轮恒星演化的产物——我们都是恒星的孩子!

核聚变的途径

在太阳中心,氢可以在1500万度的高温和2000亿个大气压的高压下聚变成氦。而在地球上没有那么高的压强,要发生聚变,温度就只好更高,达到上亿度。有什么办法能达到这么苛刻的条件呢?

核裂变笑了:不要以为有了核聚变我就没用了,要达到核聚变的条件,还得看我!是的,原子弹是目前唯一可用的实现如此高温的方法。所以氢弹都是用原子弹引爆的,先用裂变达到聚变条件,再通过聚变放出更大的能量。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量,氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。

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中国第一颗氢弹爆炸

人类用氢弹已经用得很溜了,《三体》里都能用它在水星上炸很多大坑,最后拯救人类。但是氢弹是不可控的聚变反应,你总不能用氢弹来发电吧?所以真正的挑战是和平的、可控的利用核聚变,俗称“人造太阳”。

可控核聚变的难点,在于两个问题。一,如何将聚变材料加热到这么高的温度?二,用什么容器来装温度这么高的聚变材料?把核聚变反应堆看成一个火炉,第一个问题就相当于“怎么点火”,第二个问题相当于“怎么保证不把炉子烧穿”。

对第一个问题的回答,惯性约束激光点火是一条思路。把聚变燃料放在一个弹丸内部,用超强激光照射弹丸,瞬间达到高温,弹丸外壁蒸发掉,并把核燃料向内挤压。美国的“国家点火装置”和中国的“神光三号”等实验装置,走的就是这条路。

对第二个问题的回答,磁约束是一条思路。把聚变燃料做成等离子体(原子核和电子分离,都可以自由流动),用超强磁场约束等离子体,让它们悬空高速旋转,不跟容器直接接触。EAST等托卡马克装置,走的就是这条路。

一大麻烦在于,这两条路是互相矛盾的。聚变燃料如果处于静止,就很难不把容器烧穿;而如果处于运动中,聚焦点火又变得困难。这就是可控核聚变难度如此之大的原因。

顺便说一句,有一个提法叫做“冷聚变”,号称在某种实验条件下,常温常压就能实现核聚变。冷聚变不时地吸引一群人过去研究一通,但从来没有得到过确定的结果。我对它的看法跟大多数人一样:大半是忽悠。不过还是持开放的态度吧。

2015年4月,中国科学技术大学建成国际最先进的反场箍缩磁约束聚变实验装置“科大一环”(KTX)。中、美、俄目前各有16、28、5个核聚变装置,这玩意烧的就是钱,靠的就是大国雄心。

可控核聚变什么时候能实现?有个笑话是“永远还需25年”。有人估计是2050年。不过这些全都是猜测,由于难度太大,无论任何时候能搞出来都是好的。我们在目前能做的,就是多试验,多投入。在条件允许的范围内,只问耕耘,不问收获。即使是失败的探索,也会获得经验教训,对将来是有益的。

中国最近的突破

了解了以上基础知识,我们就能理解中国最近的突破有什么意义。

第一个,EAST成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。EAST大科学工程管理委员会副主任罗广南教授说,先前的一些聚变实验持续了100多秒,但它们就像“骑一匹烈马”,难以控制不稳定的等离子体。8月在EAST上进行的实验更像是一次盛装舞步表演,处在被极强电磁场屏蔽的一个环形室中的等离子体被控制在一种高效稳定态H-mode(高约束模式)。物理学家认为高约束模式是未来核聚变电站的最佳工作状态。总而言之,更加“可控”了。

第二个,由我国研制的热核聚变堆核心部件在国际上率先通过认证。这种核心部件是盛放超过1亿度的聚变燃料的容器。按照ITER的设计方案要求,这种材料需要承受每平米4.7兆瓦的热量,这足以在瞬间熔化一公斤的钢铁。中国的科研人员用三种材料组成的三明治结构,并在和多个国家的竞争中率先摸索出让三种材料紧密结合的创新工艺。在权威机构进行的试验中,该材料经受住了比设计标准还高20%的极端高温环境考验。总而言之,更加“耐热”了。这就有可能克服惯性约束与磁约束之间的矛盾,在不烧穿炉子的情况下实现点火。

对EAST的高约束模式运行,科学家说,这项突破显示中国聚变研究的发展速度把其他国家远远甩在后面。这话同样适用于第二项突破。引领人类的聚变历程,中国义不容辞!

核聚变答客问

下面以问答的形式,解释一些常见的问题。

问:核聚变为什么很难发生?

答:质能关系只能告诉你核反应发生前后的能量变化,但不会告诉你反应的过程。核聚变要发生,必须首先让两个原子核靠得非常近。非常近是多近?在10-15米的量级。要知道,一个原子中原子核跟电子的距离都有10-10米的量级,也就是说,两个原子核要靠近到原子尺度的10万分之一才能聚变!在这样一个小得不可思议的距离下,核子之间具有很强的吸引力(核力)。然而核力随着距离的增加下降得非常快,稍微远一点就几乎为零了。打个比方,核子就像一对近视度数很深的恋人,离得很近时会拉住手,但离得稍远时就看不见了,形同路人。

这就带来一个严重的问题。核子包括质子和中子,中子没有电荷,但质子有正电荷,所以质子和质子之间具有静电排斥力,根据库仑定律这个力反比于距离的平方。当距离小到10-15米的量级时,核力的吸引超过静电力的排斥,两个原子核会聚合到一起,放出大量的能量。但它们很难从正常的距离(比如说10-9米)开始达到这么近,因为在这种距离下核力小于静电力,净作用是排斥的。好比恋人们都穿着红色衣服,而红色跟红色之间互斥,离得很远时就会互相推开,那么他们还有多少机会接近到足以拉上手?

当然,不是完全不可能。如果两个原子核一开始的运动方向就是相向而行,而且初速度很高,那么它们会一边靠近一边减速,有可能在相对速度减到零之前达到10-15米的距离。这就是发生核聚变的希望。

问:为什么核聚变需要高温高压?

答:温度正比于原子核的动能,相当于原子核运动的剧烈程度。压强是原子核对容器产生的撞击作用,相当于原子核运动的受限程度。在越小的空间里运动得越剧烈,两个原子核克服静电排斥达到聚变距离的可能性就越大。好比原子核是一群宅男宅女,宅在家里是没有前途的,要找到对象就必须出去跟人接触,相亲的诚意越高、次数越多,才越有机会脱单。

高温和高压的效果在一定程度上可以互换。在太阳中心,由于压强高达2000亿个大气压,所以“只需要”1500万度的“低温”就可以把氢聚合成氦。但在地球上,由于压强达不到那么高,所以得把温度提高到上亿度才行。

在可控核聚变的道路上,中国走到了哪一步

太阳

问:核裂变为什么不需要高温高压?

答:核聚变的困难来自两个原子核接近时质子之间的静电排斥力,而核裂变只需要一个原子核分裂成几部分,要克服的是核力。如果一个原子核很稳定,核力很强,那么它就不会裂变。如果一个原子核不稳定,核力很弱,那么它很容易就会裂变。这里的关键是,外界的温度、压强只影响原子核之间的运动状态,而对于原子核内部完全没有影响。

同理,化学组成只影响原子中电子的状态,对原子核内部也完全没有影响。无论是纯的铀238还是铀238的氧化物,单个铀238原子核发生裂变的难易程度都是一样的。因此,只要裂变能发生,那么常温常压下它就会发生,而如果裂变不能发生,那么加再高的温度压强也不会发生。我们挑选出来造核武器、核电站的都是容易裂变的原子核,常温常压下就能运行,所以给人的印象就是核裂变很容易。

问:我们现在到底能不能实现可控核聚变?如果不能,那些核聚变装置是干什么的?如果能,为什么还不能实用?

答:这其实是一个语言问题,即什么叫做“实现”了可控核聚变。真正定量的判断标准,是看核聚变装置输出的能量与输入的能量的比例,称为Q值。在普通的条件下,Q = 0,即没有能量输出,完全没有发生核聚变。外界条件提高到一定程度,Q开始大于0了,但还小于1,这时你可以说已经实现了可控核聚变。但是能量输出小于能量输入,能量买卖越做越亏,不能实用,所以你也可以说还没有实现可控核聚变。口头语言怎么说都行,科学家并不在意,真正重要的是定量的数学语言。

条件再提高到一定程度,Q > 1,能量输出大于输入,能量买卖有利可图,这可就不得了,能够实用了。这还没完,条件再提高到某种程度,Q会成为无穷大,也就是说不需要能量输入都能产生能量输出。实际的意思是,只需要一次点火就够了,然后体系放出的能量就足以支持核聚变持续进行下去,不再需要外界的能量输入。

那么人类的这么多核聚变装置,达到了什么水平呢?大部分还在Q = 0的区域里扑腾,只是摆个姿势,锻炼一下队伍。有一些进入了0 < Q < 1的区域,能够发生一点核聚变,不过总能量还是亏损的。这已经很不错,能进行实际研究了。

2014年2月,美国国家点火装置(NIF)的研究者用前面提到的惯性约束法,用192支激光加热和压缩燃料芯块,第一次实现了“燃料增益”,即输出的能量大于燃料吸收的能量。这是个了不起的成就,入选了中国两院院士评选的2014年十大国际科技新闻。不过总的能量收支仍然是亏损的,因为燃料只吸收了外界激光输入的一小部分能量,还有很多能量是被包裹燃料的容器吸收的。真正重要的目标是实现“总增益”,即能量输出大于总的能量输入,Q > 1,这就不知道什么时候能实现了。

问:可控核聚变什么时候能实用化?

答:最基本的回答是:无法预测。有人说要25年,有人说到2050年左右,这些都属于自由猜想,姑妄听之即可。这东西和造原子弹不一样。原子弹的物理原理是很清楚的,只要足够多的高浓度的铀放在一起,空气中的中子就足以引发链式反应,立刻爆炸。所以造原子弹的瓶颈因素就是浓缩铀。浓缩铀的进度又取决于浓缩技术,如离心机,因此很容易预测一个国家什么时候能核爆。可控核聚变却迄今连技术路线都没确定,怎么可能做出准确的预测?如果能在煤炭、石油、天然气等化石能源耗尽之前发展出来固然是好的,如果不能那也没办法,只能怪人类命不好,或者不够努力——早干什么去了,愚蠢的人类!

问:如果到化石能源耗尽都发展不出可控核聚变,人类怎么办?

答:作为对化石能源的替代方案,最靠谱的是太阳能,因为它是可再生能源。按照某些计算,把塔克拉玛干沙漠(33万平方公里)的面积拿出一半来建设太阳能光热电站,就足以满足全中国的电力需求。此外,著名纳米材料学家杨培东教授的研究组最近实现了人工光合作用,用二氧化碳和水合成醋酸酯,也是一条利用太阳能的技术路线。大力发展太阳能可以保证我们在化石能源耗尽后的生存,这是大战略。

但单凭太阳能是不足以飞出地球、移民宇宙的,困在地球上,长远还是死路一条。可控核聚变是星际航行唯一可靠的能关于这一点,“资水东流”的《技术大停滞》(http://blog.sina.com.cn/s/blog_3c4e19860102w4ll.html)解释得非常透彻,向大家强烈推荐这篇杰作。下面是其中的关键段落:

按照人类目前的技术水平,新能源还远不足以替代化石能源,更不要说比传统化石能源高一个层次。或许人类永远没有机会谈论“别人”。因为人类极有可能来不及点燃聚变堆。

人类已经在可控核聚变上花费了将近60年的时间,实质性进展基本为0,全世界联合起来,ITER的工程进度还一拖再拖。人类科学史上,还没有一项技术耗费了如此长的时间,看似触手可及,但就是找不到突破途径。

地球文明已经进入一个关键点。有网友称为文明的临界点!

在黑暗的宇宙森林中,行星上的化石能源是一根小火柴,如果能够点燃宇宙提供的木头,那么将会获得整个森林,或者说,冲破地球蛋,孵化成功,获得宇宙广阔新空间;如果不能,那就会困死在地球上,和那些寂静的星球一样,依靠太阳能和地热维持一个低层次的文明。

问:可控核聚变能使人类文明发生多大的变化?

答:举个刘慈欣《三体》中的例子。在此书中我最敬佩的人是章北海。一般科幻小说里只有一位救世主,《三体》里却有好几位救世主。章北海是其中最积极主动、最可歌可泣、可调动的资源最少而成就最大的,应该当之无愧地称为头号救世主。

在可控核聚变的道路上,中国走到了哪一步

章北海

“现有理论的应用潜力可能连百分之一都还没有挖掘出来。”章北海说,“我感觉,现在最大的问题是科技界的研究战略,他们在低端技术上耗费大量资源和时间。以宇宙发动机为例,裂变发动机根本就没有必要搞,可现在,不但投入巨大的开发力量,甚至还在投入同样的力量去研究新一代的化学发动机!应该直接集中资源研究聚变发动机,而且应该越过工质型的,直接开发无工质聚变发动机。”

我们在这里不讨论发动机有无工质的问题。只需确认一点:核聚变是人类进行星际航行唯一可靠的能源。单凭这一点,就可以引出无穷的想象空间。人类文明将从匍匐在地球上的弱小文明,一跃成为能够在星辰大海中穿行的高级文明。

再让我们想起,所有恒星的能量都来自核聚变。《正气歌》说:“天地有正气,杂然赋流形。下则为河岳,上则为日星。”是的,我们将用日星的能量上升到神的高度

王真 本文来源:观察者网 责任编辑:王真_NT5228
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