核聚变,作为一种单位质量能量释放效率极高的能量来源,被视为解决人类未来能源问题和实现星际航行的关键。氢原子在宇宙中相对容易获取,使得可控核聚变技术成为人类长远发展的基石。
如果无法掌握这项技术,人类或许将被禁锢在地球,在有限的资源和日益恶化的环境中走向衰亡。然而,通往美好未来的道路总是充满挑战。
模仿恒星:核聚变的实现原理与难点为什么我们至今仍未用上可控核聚变发电?答案在于其苛刻的反应条件:上亿度的高温和高压,几乎等同于太阳内部的环境。恒星的聚变反应依靠其巨大的引力压缩原子,产生高温高压,迫使氢原子核(质子)发生聚变反应并释放能量。
可控核聚变技术正是模拟这一过程,其基本原理是让两个质子足够靠近(达到普通原子直径的万分之一),使原子核内部的强相互作用力克服质子间的电磁斥力,从而实现聚变。
宇宙中的力分为四种:强力、弱力、电磁力和引力。强力是原子核内极短距离的最强作用力,维系着原子核的结构;弱力影响特定元素的放射性衰变;我们日常生活中接触到的力,例如压力、摩擦力等,本质上都是电磁力的宏观体现;引力虽然最弱,但作用范围无限,对宇宙的演化至关重要。
温度的微观本质是粒子无规则运动的剧烈程度。核聚变需要高温高压环境,赋予质子足够的动能,使其克服电磁斥力,进入强力作用范围并发生聚变。
恒星内部的聚变反应可以将轻元素一直聚变到铁元素,而更重的元素则来源于大质量恒星和超新星爆发。
可控核聚变的装置及挑战:冰火两重天的极致实现可控核聚变并非易事。例如氢弹的引爆就需要原子弹产生高温来触发。
目前主流的可控核聚变装置是托卡马克装置,其原理是将氢原子剥离电子形成离子,在磁场中高速运动,并利用不同方向的磁场产生电流,实现欧姆加热点火。当温度达到反应温度后,通过微波持续输入能量,维持超高温状态,同时利用强磁场约束等离子体,防止其接触实验容器壁——毕竟,没有任何材料能够承受上亿度的高温。
中国合肥的“东方超环”托卡马克装置实现了101.2秒的持续聚变反应,创造了世界纪录。然而,101.2秒的背后是难以想象的技术挑战。
维持高温高压环境需要极高的能量输入和精确控制,而约束等离子体的强磁场则需要接近绝对零度的超导材料,这无异于冰火两重天的极致考验。
除了技术难题,国际政治因素也可能阻碍可控核聚变的发展。以石油为经济支柱的欧佩克国家,以及依靠美元与石油挂钩维持霸权地位的美国,是否会轻易放弃既得利益?如果中国等新兴国家在可控核聚变技术上保持领先,现有的国际能源格局将面临重塑,这势必引发地缘政治博弈。