 全球能源緊缺一直是全世界關(guān)心的話題。為解決能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，世界各國(guó)提出了“碳中和”的目標(biāo)，不斷加速低碳化轉(zhuǎn)型。 但是轉(zhuǎn)型也帶來(lái)了能源供應(yīng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，比如2021年因極端天氣等因素造成的全球能源供應(yīng)緊張。 有什么方法能夠持續(xù)穩(wěn)定地提供能源嗎？如果我們能自己“種太陽(yáng)”是不是就可以解決能源問(wèn)題了呢？  在過(guò)去高速發(fā)展的幾十年里，我們建立了一個(gè)對(duì)于化石燃料極度依賴的社會(huì)。 即便在可持續(xù)能源逐漸增長(zhǎng)的今天，化石燃料仍然提供了70%-80%的人類總能源需求：從我們所穿的衣服、所用的塑料、交通出行方式、取暖的方式，這一切一切都有著化石燃料的蹤跡?？上В剂?strong>并不是取之不盡的可再生資源。根據(jù)BP能源報(bào)告，地球上的石油將在2052年用盡，天然氣將持續(xù)到2060年，煤炭可以持續(xù)到2090年。 也就是說(shuō)，如果不對(duì)我們的能源體系做出調(diào)整，我們將在這個(gè)世紀(jì)以內(nèi)用完所有的化石燃料。  近些年來(lái)，以石油為主的化石燃料價(jià)格不斷上漲。在未來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)水平與世界人口的發(fā)展，人們對(duì)于能源的需求將繼續(xù)攀升。有限的資源始終無(wú)法滿足不斷增長(zhǎng)的需求，如果無(wú)法利用可再生清潔能源替代現(xiàn)在以化石燃料為主的能源體系，我們的未來(lái)將面對(duì)極其嚴(yán)重的能源危機(jī)。 就沒(méi)有一種能源，可以十分穩(wěn)定，用之不竭，還不產(chǎn)生任何二氧化碳嗎？ 也許——太陽(yáng)？ 太陽(yáng)作為太陽(yáng)系的中心天體，已經(jīng)燃燒了將近60億年。太陽(yáng)的光和熱來(lái)自于太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，屬于核反應(yīng)的一種。自地球誕生的那一刻起，太陽(yáng)就在為地球上的所有生物甚至整個(gè)行星系提供了免費(fèi)、源源不斷的能量。 既然如此，我們能不能掌握核聚變的秘密，制造出一個(gè)小太陽(yáng)，為人類的未來(lái)提供清潔的能源呢？  播種太陽(yáng)，播撒希望  通常，我們所說(shuō)的核能發(fā)電指的是核裂變反應(yīng)，是當(dāng)一個(gè)比較重的原子核（比如鈾）分裂成兩個(gè)比較輕的原子核，從而散發(fā)能量。 而核聚變的過(guò)程則與裂變相反，在核聚變中，兩個(gè)比較輕的原子核相結(jié)合，形成了一個(gè)比較重的原子核。  左：核裂變；右：核聚變 圖源：Science.com 地球上的人類們所說(shuō)的核聚變通常要用到兩個(gè)物質(zhì)——氘（dāo）和氚（chuān）。這兩種物質(zhì)都是氫的同位素（質(zhì)子數(shù)相同，但中子數(shù)不同的元素，被稱為同位素）。  氘（又叫重氫），原子核內(nèi)有1個(gè)質(zhì)子，1個(gè)中子 氚（又叫超重氫），原子核內(nèi)有1個(gè)質(zhì)子，2個(gè)中子 圖源：芥子SpeakGreen 在核聚變反應(yīng)的過(guò)程中，氚和氘抱團(tuán)取暖聚在一塊兒，又重新排列組合形成氦和一個(gè)中子。 聚變反應(yīng)會(huì)損失一些質(zhì)量，新的原子核們的總量比原來(lái)的更輕了。愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：E=mc2，質(zhì)量與能量是可以互相轉(zhuǎn)化的，所以這些損失的質(zhì)量相應(yīng)地轉(zhuǎn)換成了能量。  圖源：CK-12 這個(gè)能量可以有多大呢？ 根據(jù)公式E=mc2，能量是質(zhì)量乘以光速的平方，也就是說(shuō)，即使只有一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量在核聚變中被轉(zhuǎn)換為能量，在乘以光速的平方后，損耗的那一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量將被轉(zhuǎn)化為極其大量的能量，并以光和熱的形式體現(xiàn)——這就是太陽(yáng)發(fā)光發(fā)亮的秘訣。 與其它能源來(lái)源相比，核聚變有幾個(gè)好處： · 清潔能源：與化石燃料不同，核聚變產(chǎn)生能量的過(guò)程完全不產(chǎn)生碳排放，是實(shí)實(shí)在在的清潔能源。 · 安全：說(shuō)到核能，大家的第一反應(yīng)也許是——輻射！等一下，可別誤會(huì)了，雖然核聚變也是核能的一種，但它遠(yuǎn)沒(méi)有它的親戚核裂變來(lái)的危險(xiǎn)。核聚變的材料（氘和氚）放射性極其微弱，且半衰期十分短，即便發(fā)生泄露，也不會(huì)造成特別嚴(yán)重的后果。 · 幾乎取之不竭：之前我們說(shuō)到，化石燃料是不可再生能源，而核裂變所用到的鈾與钚也如是，它們?cè)诘厍蛏系膬?chǔ)量并不充足。相比之下，核聚變的原材料要容易獲取得多。氘和氚都是氫的同位素，也就是說(shuō)我們完全可以從水——H2O中提取核聚變反應(yīng)材料。海水中就含有大量的氘元素，據(jù)估計(jì)，如果我們把大海中所有的氚和氘都提取用于核聚變，大概可以撐100億年。 · 無(wú)比高效：核聚變是人類目前所掌握的質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率最高的能源生產(chǎn)方式——只需要一點(diǎn)點(diǎn)的反應(yīng)材料，就可以制造出大量的能量。一升海水提取的氘能產(chǎn)生的聚變能源，相當(dāng)于300升汽油完全燃燒釋放的能量。  奇怪的圖示 核聚變既然這么厲害，那趕緊搞快點(diǎn)啊！還等什么呢？ 雖然優(yōu)秀，但核聚變可是個(gè)要求極高的祖宗。只有在極其嚴(yán)格的條件下，氘和氚才會(huì)聚在一起，發(fā)生反應(yīng)。  原子的核都包含著帶正電的質(zhì)子。想象一下，當(dāng)磁鐵的兩個(gè)正極強(qiáng)行按在一起一樣時(shí)，會(huì)有一個(gè)強(qiáng)大的力阻止他們接觸。同樣的，根據(jù)同極相斥的原理，當(dāng)兩個(gè)原子核相遇時(shí)，他們的第一反應(yīng)是——你走開(kāi)，莫挨老子。這樣的排斥力被稱為庫(kù)倫力。  圖源：芥子SpeakGreen 因此，為了戰(zhàn)勝庫(kù)侖力，讓兩個(gè)互相排斥的原子核足夠接近，順利發(fā)生核聚變，需要滿足三個(gè)條件：高溫、高密度、高約束時(shí)間。 1 高溫：正所謂“大力出奇跡”，只要用足夠的力，想把磁鐵的正極按在一起也不是不可能。同理，想戰(zhàn)勝原子核之間的庫(kù)侖力，需要把氘-氚混合氣體的溫度加熱到上億度，使它們以足夠快的速度相撞。在這樣的高溫狀態(tài)下，氘和氚的電子將會(huì)被剝奪，以等離子體狀態(tài)存在。（真·加熱億點(diǎn)點(diǎn)） 物質(zhì)中的原子核與電子“分家”，各自獨(dú)立行動(dòng) 圖源：芥子SpeakGreen 2 高密度：要想得到穩(wěn)定的核聚變反應(yīng)，我們還需要將等離子體在一定時(shí)間內(nèi)維持在高密度狀態(tài)下。舉個(gè)例子，如果我們讓十個(gè)人在一整個(gè)足球場(chǎng)上隨意奔跑，那么兩個(gè)人會(huì)撞上的幾率其實(shí)并不大。但如果我們讓十個(gè)人在不足十平米的小房間里用同樣的速度奔跑，那么相撞幾乎是不可避免的。同理，當(dāng)?shù)入x子體的密度提高時(shí)，核聚變反應(yīng)的效率和可能性也會(huì)加大。高密度也就意味著高壓強(qiáng)。 3 高約束時(shí)間：盡可能久地保持住這樣高溫、高壓強(qiáng)的狀態(tài)，使反應(yīng)能夠穩(wěn)定持久地生產(chǎn)能量。 想象一下，在一個(gè)固定的空間內(nèi)，被加熱到上億度的氘氚等離子體以極快的速度運(yùn)動(dòng)。由于等離子體密度過(guò)高，高速運(yùn)動(dòng)的等離子體碰撞在一起，釋放出大量的能量。久而久之，空間中大多的等離子體都能夠找到與自己碰撞的“另一半”，核聚變?nèi)剂?span id="opkdopnojk" class="cye-lm-tag">充分反應(yīng)。 速度、密度、時(shí)間，缺一不可又可以互相彌補(bǔ)。也只有找到約束核聚變的方法，長(zhǎng)時(shí)間保持高溫高密度的條件，核聚變才可能真正意義上的被商業(yè)化，成為未來(lái)的人造小太陽(yáng)。 所以綜上：核聚變這么苛刻的反應(yīng)條件，到底應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)？ 首先，讓我們來(lái)采訪一下太陽(yáng)：太陽(yáng)，你是如何控制核聚變，而不爆炸的呢？ 好的，駁回，這個(gè)顯然在地球上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 目前，最最耐熱的材料能夠承受約4000度的高溫，4000度距離等離子體一億度的高溫來(lái)說(shuō)，也就差了億點(diǎn)點(diǎn)吧。 等一下，如果什么容器在接觸到高溫的核聚變材料時(shí)都會(huì)融化，那不讓等離子體觸碰到容器就好啦！ 讓氘和氚懸空運(yùn)動(dòng)？是魔法嗎？ 不，是磁場(chǎng)！ 在氘和氚被加熱到一定溫度時(shí)將會(huì)以等離子體狀態(tài)存在，具有極強(qiáng)的導(dǎo)電性，會(huì)被磁場(chǎng)影響。這個(gè)長(zhǎng)得像一個(gè)巨型甜甜圈的裝置叫做托卡馬克裝置，是目前最被看好的核聚變約束裝置之一。 科學(xué)家們利用極強(qiáng)的磁場(chǎng)，給等離子體創(chuàng)造出了一個(gè)環(huán)形跑道。由于等離子體的導(dǎo)電性，高溫高壓的等離子體受到磁場(chǎng)的限制，在環(huán)形磁場(chǎng)中不斷運(yùn)動(dòng)。并可以在不融化設(shè)備的情況下，持續(xù)地發(fā)生核聚變反應(yīng)。 托馬克裝置 圖源：ENERGY.GOV 磁約束雖然理論上可行，但如果真的想要操作起來(lái)仍然困難重重。 要將氘與氚加熱到一億度，并且創(chuàng)造與維持強(qiáng)大的磁場(chǎng)都需要極大的能量投入。如果核聚變的持續(xù)時(shí)間不足，導(dǎo)致產(chǎn)生的能量還沒(méi)有輸入的能量高，那豈不得不償失了！ 而即便攻克了能量平衡的關(guān)卡，還有穩(wěn)定性、成本等種種問(wèn)題需要解決?？梢哉f(shuō)，我們距離商業(yè)化的核聚變小太陽(yáng)還很遙遠(yuǎn)。 即便如此，世界范圍內(nèi)的許多科學(xué)家們?nèi)匀辉跒榱丝煽睾司圩兗夹g(shù)做努力。2021年5月，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的人造太陽(yáng)EAST達(dá)到了1.2億度101秒等離子體運(yùn)行把之前一億度20秒的記錄足足延長(zhǎng)了五倍，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。 人造小太陽(yáng)就是一個(gè)托卡馬克裝置 圖源：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所 想要在能源需求增長(zhǎng)的同時(shí)擺脫對(duì)于化石能源的依賴并不是一件容易的事情。目前技術(shù)相對(duì)成熟的清潔能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能等，都有著各自的優(yōu)點(diǎn)與局限。在重建能源體系的過(guò)程中，核聚變不是唯一答案。一個(gè)真正清潔可持續(xù)的能源體系不僅需要不同清潔能源的合理搭配，還需要更加智能的電網(wǎng)運(yùn)輸系統(tǒng)。 利用人工小太陽(yáng)照亮城市的目標(biāo)雖然還很遠(yuǎn)，但是核聚變反應(yīng)的技術(shù)壁壘正在一個(gè)個(gè)被打破。一旦成功，可控核聚變技術(shù)很可能能夠幫助我們擺脫對(duì)于化石燃料的依賴。 城市的“迷你小太陽(yáng)”也許將成為未來(lái)的能源拼圖中極其重要的一部分，使我們能夠在盡可能減少環(huán)境影響的同時(shí)，擁有足夠的能源來(lái)搭建幻想中的未來(lái)城市藍(lán)圖。*★ ∧∨上下翻動(dòng)查看參考內(nèi)容 ·https://ade/nuclear-fusion-power-future-renewable-energy/#:~:text=Nuclear fusion energy is one,creating a virtually limitless supply. ·http://www./c/2020-12-04/525489.shtml ·https://www./zh/jubian-neng/article2021111901 ·https://www./zhongwen/simp/science-43801481 ·http://www./n2588025/n2588139/c15421617/content.html ·https://zh.wikipedia.org/wiki/核聚變 ·http://www.ipp.cas.cn/kxcb/hjbzs/201210/t20121026_101164.html ·https://www./wj/story/121344/5494490?zh-cn 轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn) 不代表中科院物理所立場(chǎng) 來(lái)源：上?？萍拣^ |
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