位于我国安徽合肥的紧凑型聚变能实验装置(BEST)项目建设近日取得关键突破,引发广泛关注。“杜瓦底座”研制成功并精准落位安装,标志着该项目主体工程建设步入新阶段,也意味着我们离“人造太阳”的梦想又近了一步。图片来源于网络,如有侵权,请联系删除 聚变是太阳发光发热的核反应原理,而“人造太阳”是模拟这一过程的聚变装置。科学家认为,聚变发电因具有清洁、无限的特点,是人类追求的终极能源。目前,国际上多个科研项目正在攻关相关技术。那么,我国的BEST项目有何领先之处?它对于实现“人造太阳”有何助益?发展聚变能将怎样重塑地球的能源未来?图片来源于网络,如有侵权,请联系删除我国紧凑型聚变能实验装置(BEST)项目建设现场航拍图图片来源于网络,如有侵权,请联系删除 此次新闻中提到的杜瓦底座结构直径约18米,高约5米,重400余吨,是紧凑型聚变能实验装置主机系统中最重的部件,也是国内聚变领域最大的真空部件。杜瓦底座相当于装置的“地基”,未来将承载整个主机6000余吨设备的重量和绝热功能。它落位安装完毕后,主机核心部件也将陆续进场安装。 那么,科学家关注的聚变究竟是什么?与常见的化学反应截然不同,聚变是原子核级别的反应,两颗较轻的原子核结合到一起,会生成一颗较重的原子核。化学反应只涉及原子的外层电子,触碰不到原子核,而聚变反应改变的是原子核本身。以太阳为例,它的中心时刻在发生氢核聚变为氦核的反应,氢逐渐减少,氦不断增加,从化学的角度来看,这个反应式是配不平的。 当谈到核反应时,人们的第一印象往往是排山倒海的能量。这个能量来自原子核内核子(包括质子与中子)的结合能,由四大基本相互作用(强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用)中的强相互作用驱动,强度远超化学反应涉及的电磁相互作用。这个能量究竟有多强呢?在原子核尺度的1飞米(千万亿分之一米)距离上,两个质子相互吸引的核力(强相互作用在核子外的剩余力)比它们相互排斥的电磁力强约100倍。因此,若想把氦核掰成4个核子,就要施加远超化学反应的巨大能量才能做到。反过来想,4个核子合并为氦核,则会释放出同等巨大的能量。这个能量用爱因斯坦著名的质能方程E=mc2(能量=质量乘以光速平方)换算后,足以察觉质量亏损。举个例子,让1000克氢全部聚变,最后得到的氦只有993克左右,丢失的7克,实际上是以630万亿焦耳的能量形式释放出来了。若把这个能量用于整个北京地区的城乡居民生活用电,基本上可以支撑两天。 另有一种核反应与聚变的方向相反,它是由较重的原子核分裂为若干颗较轻的原子核,物理上称之为裂变。如果裂变产物中有2个或以上的粒子能撞到其他原子核,引起更多新的裂变,那么核反应还会以指数形式急剧增长,触发“链式反应”。裂变的典型例子就是原子弹与核电站。 无论是聚变还是裂变,均能找到实例:宇宙中,包括太阳在内的所有恒星,每一颗都是硕大无朋的天然聚变反应堆;地球上,科学家在非洲加蓬的奥克洛铀矿区发现,那里曾在17亿年前自然沉积出一个天然裂变反应堆,以平均100千瓦的功率断断续续运行了几十万年。 实现人工聚变难在哪儿 人们对聚变的认识始于1920年英国科学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿对太阳发光发热原理的猜想,那时的科学界尚未摸清原子核结构,甚至还没有发现中子。相比而言,虽然科学家直到1938年才发现裂变现象,但对裂变的应用比聚变发展得快多了。究其原因,是人工聚变的难度太高。 难在哪里呢?难在原子核都带正电荷。要想把两个原子核合并到一起,就得克服它们之间的电磁斥力。人们可能会问:前面不是说,相互吸引的核力远比相互排斥的电磁力强大吗?是的,然而核力有个致命弱点,就是它会随着距离增大而迅速衰减。在1飞米距离上,质子之间的核力比电磁力强约100倍,但到了1.7飞米,电磁力就开始占上风了。也就是说,两颗相向而行的原子核,还没飞到核力的“地盘”,就已经被电磁斥力推开了。 怎么办?一方面,要提高温度,让原子核运动得快起来。只有跑得足够快,它们才能突破电磁斥力的藩篱,冲进核力的作用范围,与其他原子核合体。例如氢弹的聚变阶段,就是通过引爆一颗原子弹产生的几千万摄氏度高温启动的;太阳核心有1500万摄氏度,勉强能够点燃非常低效的聚变反应,可供燃烧上百亿年。 另一方面,要选择比较容易发生聚变的原子核,用行话来说,就是找“反应截面较大”、对温度要求不是那么高的原子核。目前所知的最佳原料是氢的两种同位素:氘和氚(质子数都是1,氘核有1个中子,氚核有2个中子)。二者可在5000万到2亿摄氏度大量聚变,生成1个氦核、1个中子与17.6兆电子伏的能量。 当我们提高温度至上亿摄氏度,不但物质会完全气化,电子与原子核也会“分家”,进入等离子状态。此时,需要把这团等离子体约束住,让它达到较高的密度,不然即使温度上去了,如果原子核互...