本文來(lái)自微信公眾號(hào)：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF
4 月 12 日 21 時(shí)，正在運(yùn)行中的的全球首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置 EAST（先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置），在穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模式下，實(shí)現(xiàn)等離子體穩(wěn)定運(yùn)行 403 秒，創(chuàng)造了托卡馬克裝置穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。此前 101 秒的世界紀(jì)錄，也是由 EAST 于 2017 年創(chuàng)造的。EAST 是中國(guó)新一代可控核聚變研究裝置，由中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院自主研制，于 2006 年 9 月 28 日取得首輪物理放電實(shí)驗(yàn)的成功。
文 | 斯圖爾特?克拉克（Stuart Clark）
編輯 | 趙佳明
也許有的朋友會(huì)問(wèn)，這個(gè) 403 秒意味著什么？這個(gè) 403 秒意味著，人類距離利用可控核聚變產(chǎn)生能量又近了一步，可能可控核聚變發(fā)電很快就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。
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要回答這個(gè)問(wèn)題，首先要了解什么是核聚變。核聚變就是兩個(gè)質(zhì)量較輕的原子合二為一，同時(shí)釋放大量能量的過(guò)程。太陽(yáng)和其他恒星就是通過(guò)核聚變來(lái)發(fā)光放熱的。如果我們能在地球上“復(fù)制”這一過(guò)程，將產(chǎn)出大量能量。這是我們需要核聚變的第一個(gè)原因。
氣候變化和能源安全也促使人們轉(zhuǎn)變了觀念，開(kāi)始接受核聚變。對(duì)于氣候變化來(lái)說(shuō)，核聚變能提供豐富的清潔能源。同火力發(fā)電等發(fā)電模式相比，幾乎沒(méi)有溫室氣體的排放。核聚變還可以和太陽(yáng)能、風(fēng)能等其他可再生能源聯(lián)合使用。至于在能源安全方面，隨著全球能源需求的急劇增長(zhǎng)，一旦化石能源枯竭，就必須依靠核聚變能源了。
其實(shí)，我們利用核能不是最近的事，現(xiàn)在世界各地運(yùn)行的核電站正是通過(guò)核裂變來(lái)發(fā)電的。不過(guò)，相較于核聚變，核裂變存在安全問(wèn)題、核廢料處理問(wèn)題，以及核原料的取材問(wèn)題。因此，科學(xué)家都把關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了核聚變上來(lái)。
為什么可控核聚變難以實(shí)現(xiàn)？
現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，核聚變發(fā)生的條件是像太陽(yáng)內(nèi)部那樣的極端高溫、高壓、高密度?？墒牵嗽斓暮司圩兎磻?yīng)堆無(wú)法復(fù)制這樣的壓力和密度條件。比如，在 JET（歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆）的內(nèi)部，氣體的密度和反應(yīng)堆外的普通大氣差不多。那么，要想實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，反應(yīng)堆內(nèi)的溫度就得超過(guò) 1 億℃。在這樣的溫度條件下，氣體會(huì)變成等離子體。這時(shí)，可以用磁場(chǎng)來(lái)約束它們。
因?yàn)槿魏我环N材料一旦觸碰到溫度超過(guò) 1 億℃的等離子體，都會(huì)熔毀，所以只能通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)約束等離子體。同時(shí)，磁場(chǎng)還能使等離子體加速流動(dòng)，為核聚變創(chuàng)造條件?？梢?jiàn)，在核聚變反應(yīng)堆中，磁場(chǎng)很重要。這次 EAST 創(chuàng)造的新世界紀(jì)錄就是關(guān)于磁場(chǎng)約束等離子體，從而穩(wěn)定運(yùn)行的。這是利用可控核聚變產(chǎn)生能源的關(guān)鍵。
此外，現(xiàn)階段的核聚變發(fā)電還存在“投入產(chǎn)出比”不協(xié)調(diào)的問(wèn)題：反應(yīng)堆雖然能產(chǎn)出大量能量，但滿足自身運(yùn)轉(zhuǎn)需要投入更多能量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，多國(guó)聯(lián)合出資，正在法國(guó)南部建造國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆（ITER），預(yù)計(jì)在 2025 年投入運(yùn)行。在剛開(kāi)始運(yùn)行的 10 年間，科學(xué)家會(huì)逐步提升反應(yīng)堆的運(yùn)行功率，最終讓它滿負(fù)荷運(yùn)行?？茖W(xué)家估計(jì)，ITER 最終輸出的能量，將是啟動(dòng)核聚變所需能量的 10 倍以上。
新的嘗試
近年，科學(xué)家和私營(yíng)企業(yè)為了盡早實(shí)現(xiàn)可控核聚變，采取了一些新的嘗試。
在托卡馬克裝置中，磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)等離子體的約束就越強(qiáng)，這樣反應(yīng)堆就可以設(shè)計(jì)得更小。英國(guó)托卡馬克能源公司和其他幾家實(shí)驗(yàn)室合作，研發(fā)出了一種叫作高溫超導(dǎo)磁體的設(shè)備，這些磁體能產(chǎn)生強(qiáng)力磁場(chǎng)，強(qiáng)度可達(dá)地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的 100 萬(wàn)倍。通過(guò)這種磁體，托卡馬克能源公司利用一座小型反應(yīng)堆，讓等離子體的溫度升到了約 1 億℃。
啟動(dòng)核聚變反應(yīng)有幾種不同的方法。除了在托卡馬克裝置中讓等離子體加速旋轉(zhuǎn)外，還有一種方法叫慣性聚變 —— 核燃料液滴會(huì)被擠壓，這樣溫度和密度就會(huì)變大，達(dá)到核聚變的條件。美國(guó)的 First Light Fusion 公司，通過(guò)射擊實(shí)現(xiàn)了擠壓 —— 子彈會(huì)從一支超高速槍中射出，擊中含有核燃料的目標(biāo)。子彈擊中目標(biāo)后，能讓核燃料以每秒 70 千米的速度發(fā)生內(nèi)爆，引發(fā)核聚變，釋放能量。
一旦核聚變反應(yīng)堆投入運(yùn)行，人類就不能進(jìn)入反應(yīng)堆了。因?yàn)殡?氚核聚變反應(yīng)會(huì)釋放大量中子和能量，產(chǎn)生強(qiáng)烈的短時(shí)輻射，對(duì)人體有害。所以，需要機(jī)器人代替人類完成某些工作。為此，科學(xué)家和工程師研發(fā)了機(jī)械臂，代替人類的工作。比如，RACE 機(jī)構(gòu)研發(fā)的巨大機(jī)械臂 MASCOT。
如果把人工智能技術(shù)融入機(jī)器人，機(jī)器人會(huì)更敏捷、更自動(dòng)化。擁有了更先進(jìn)的人工智能技術(shù)，核聚變反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)或許就可以根據(jù)等離子體狀態(tài)的快速變化隨時(shí)做出調(diào)整，這樣就能讓核聚變反應(yīng)盡可能維持在最高效率。
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