把太阳揣进盒子里:我们离用上核聚变还有多远?

去年深秋挤合肥科学岛的开放日,人多得连台阶上都坐满了,我跟着人流挪到托卡马克的参观窗口,隔着30厘米厚的铅玻璃,盯着那台像巨型不锈钢甜甜圈的装置看了快十分钟。周围的管线密得像缠成一团的耳机线,冷蓝色的指示灯一闪一闪,连走廊里的空调风都调得很轻,生怕吵到正在后台调试的设备。

太安静了。

之前总在论文里看到托卡马克的设计图,真站在跟前才反应过来,这玩意儿是要把一亿度的火球,关在全是金属和管线的盒子里。

你对核聚变的所有刻板印象,可能都错了

你对核聚变的所有刻板印象,可能都错了
你对核聚变的所有刻板印象,可能都错了

很多人第一次听核聚变,第一反应是要烧月球上的氦3,是要等登月采了矿才能实现的事。

扯淡。

目前所有落地实验的核聚变反应,核心燃料都是氘和氚的组合。氘就是重氢,海水里随便捞,一升海水里含的氘,反应释放的能量差不多抵得上300升汽油,氘在全球海水中的总储量约45万亿吨,足够人类以当前能源消耗水平使用数十亿年,跟太阳的寿命差不了多少。氚是带放射性的氢同位素,半衰期只有12.3年,自然界里存量极少,现在实验用的氚,基本都是靠反应产生的中子轰击锂块自己造的。

至于氦3?那是远期的“理想燃料”,因为反应过程不产生中子,对材料友好,可问题是,月球上的氦3存量确实多,可现在人类连从月球运回一克氦3的成本都算不过来,更别说攒够一炉实验用的量了。别被那些吹“登月就能实现核聚变”的营销号忽悠了,真要靠氦3,那才是真的要等五十年。

裹着一亿度等离子体的,从来不是什么固体壳

你肯定想问,一亿度啊,什么材料能兜住?

答案是:没有任何材料能兜住。

别说一亿度了,就算是几千度的高温,碰到钨合金的内壁,都能直接把表面熔出个坑。所以科学家从来没想过用固体壳去装等离子体——他们想的招是,用超强的磁场,把带电的等离子体粒子牢牢锁在真空室的中心位置,让它全程飘着,不碰内壁半毫米。

EAST托卡马克装置超导磁体阵列实拍
EAST托卡马克装置超导磁体阵列实拍

为了让磁场足够稳、足够强,托卡马克里的所有磁体都得降到零下269度,和深空的背景温度差不多。说出来你可能不信,我当时在现场摸了摸装置外壳的保温层,凉得像刚从液氮罐里捞出来的。也就是说,这个装置的外壳冷得能冻碎钢铁,中间兜着一亿度的等离子体火球,冷热差快两亿度。

真的离谱。

搁普通人家里,冰箱和烤箱贴一块都得裂,人家愣是能在一个装置里,把极冷的磁体和极热的等离子体,隔在薄薄一层真空和磁场里,互不干扰。

这里要提一句,很多人以为核聚变的难点就是“点着火”,其实点火早就实现了。真正难的是,那层磁场就像一层无形的肥皂泡,稍微有点扰动,泡就破了,等离子体漏出来,碰到内壁,轻则把装置烤出个坑,重则直接把真空室熔穿。

那句“永远还有50年”,早就过时了

科学圈里有个流传了几十年的梗,说核聚变永远还有50年实现。

我之前也跟着笑,说这是人类科学史上最大的“期货”,直到去年在开放日跟岛上的年轻研究员唠了半小时,才发现大家对进展的印象,还停留在几十年前的水平。

就拿大家常听说的EAST装置来说,2023年已经实现了403秒的高参数长脉冲运行——搁十年前,大家能跑个10秒的稳定放电都要发个新闻通稿。现在的研究员,已经能像捏橡皮泥一样,精准调控等离子体的形状、密度、温度,连等离子体里的微小扰动,都能提前预判,主动给磁场补个力,别让那层“肥皂泡”破了。

氘氚核聚变反应能量输出过程示意图
氘氚核聚变反应能量输出过程示意图

当然,现在离真正的商业发电,还差好几道坎。氘氚反应产生的高能中子不带电,会直接穿透磁场轰击装置内壁,这是目前工程领域最难啃的硬骨头。这些中子带着极高的能量,打在材料上,会把材料的原子结构都打烂,用不了几年,内壁就脆得像酥饼,得整个换掉。除此之外,怎么把反应产生的热量稳稳导出来,烧开水驱动汽轮机发电,怎么实现氚的自持循环,每一个问题单拎出来,都够一个团队啃十几年。

不过话说回来,别信那些吹“十年内家家户户用上核聚变电”的鬼话。现在的实验装置,跑一次满参数实验,消耗的电能够一个三口之家用十几年,真要建商业电站,首先得过经济账:投进去的钱,能不能靠卖电收回来?现在离这个临界点,还有不短的距离。

那天散场的时候,我在出口碰到个戴黑框眼镜的高中生,攥着个写满笔记的本子,追着刚才跟我唠的研究员问,我高考报核工程专业,能赶上用上核聚变电吗?

研究员蹲下来,跟他视线齐平,笑着说,说不定你刚参加工作,就能赶上第一座实验示范站并网了。

那个小孩眼睛亮得像装了小灯,攥着本子使劲点头。

我站在旁边突然就觉得,好像也不用太着急。

毕竟太阳烧了四十六亿年。

我们总不能连个复刻版都搞不定吧。

作者|科技

排版|科技

审核|小准

免责声明:市场有风险,选择需谨慎!此文仅供参考,不作买卖依据。如有侵权请联系删除。
文章名称:把太阳揣进盒子里:我们离用上核聚变还有多远?
文章链接:https://www.lfdjt.com/p/keji/a/9914.html