从南京梧桐道拐进实验室那天,我重新理解了核聚变的远与近

上周三赶去紫金山实验室做交流,抄近路穿了内部连廊,撞见几个穿实验服的人蹲在走廊拐角啃盐水鸭,聊的居然是刚跑的等离子体约束参数。 风从敞开的消防通道吹进来,带着路边悬铃木落下来的碎毛絮,我突然反应过来——我们聊了几十年的核聚变,根本不是什么飘在半空的科幻设定,它就裹在南京秋天的毛絮里,飘在啃鸭子的科研人的吐槽里。

那团1亿度的火,根本不是“点着了就行”

很多人对核聚变的第一印象,停留在“把氢加热到够热,原子撞在一起就能放能量”。 不对。 你把两块石头扔着撞,得用多大劲才能撞出火星?带正电的原子核天生互相排斥,要让它们贴到能融合的距离,得给足够的速度——说白了就是足够的温度,1亿度起步,比太阳核心的温度还高5倍。 但最麻烦的根本不是加热。 你把一团1亿度的东西放哪儿?任何固体容器挨上它,瞬间就汽化了,连渣都剩不下。所以现在的主流思路根本不是“找个锅装它”,是用强磁场把这团等离子体托在真空室的正中间,让它全程不碰壁。
托卡马克装置真空室内部等离子体发光实拍图
托卡马克装置真空室内部等离子体发光实拍图
说个有意思的细节:去年我去合肥的科学岛看EAST装置,隔着两层厚铅玻璃看里面那团淡蓝色的光,旁边的工程师跟我吐槽,说最开始跑实验的时候,刚把温度拉到3000万度,磁场稍微晃了一下,等离子体直接撞在壁上,整个真空室里飘了一层蒸发出来的钨蒸汽,光清理就花了整整两周。 你想想,这哪是点炉子啊。这是用无形的手,托着一团比太阳还热的火,在空无一人的真空室里跳一支全程不能落地的舞。稍微晃一下,舞就砸了。

别被“永远还有50年”的老梗骗了

说实话,我上学的时候听老师讲核聚变,永远是“还有50年就能商用”。这个梗传了快半个世纪,连我妈都能背下来,上次家庭聚餐还跟我说,这东西是不是就是骗经费的幌子? 真不是。 你得掰着手指头算,这几十年我们到底跨过了多少坎。最开始的时候,我们最多能把等离子体约束个几毫秒,跟打个哈欠的时间差不多;后来能撑几秒;再到前两年,我们的装置已经能在1亿度的条件下,稳定跑个百秒级别的长脉冲。 这进度条根本不是卡在原地不动,是每往前挪一厘米,都要啃下别人从来没碰过的硬骨头。 有人问,放着现成的核裂变反应堆不用,费这劲干嘛? 你想啊,核裂变的废料是带强放射性的,要处理上万年,历史上出的几次事故,到现在想起来都让人后背发凉。但核聚变反应完的产物就是普通的氦气,没有长寿命的放射性,就算装置出问题,等离子体瞬间就冷却了,根本不会像裂变堆那样出现堆芯熔毁的风险。 哦对,很多人会把可控核聚变跟氢弹混为一谈。这俩差了十万八千里。氢弹是瞬间炸完,所有能量一次性全放出来,靠的是原子弹当引信,根本控不住。可控核聚变是要把这个爆炸的过程,拆成慢放,就像你把一整箱鞭炮的能量,拆成一根一根慢慢点,还要让每一点释放的能量都能稳稳地导出来,变成家里插座里的电。
聚变堆能量输出路径原理示意图 无复杂公式版
聚变堆能量输出路径原理示意图 无复杂公式版
我上次跟做聚变堆包层的工程师聊天,他说现在团队卡的最难受的点,根本不是怎么把火点着,是怎么把火发出来的热,乖乖导出来。你想啊,等离子体在中间飘着,外面包了一层又一层的结构,这些结构要扛住14MeV的高能中子轰击,不能坏,还要把中子带的热量接住,导去烧开水,推汽轮机发电。 听着是不是很朴素? 对。所有的高端科技,最后落到发电这一步,本质上都是烧开水。但就是这层能扛住几十年中子轰击、还能高效传热的包层材料,全世界到现在都还在磨。 有次实验跑下来,检查包层的实验样品,表面被中子轰得坑坑洼洼,跟被麻雀啄过的面包似的。工程师蹲在电镜旁边拍照片,拍着拍着突然笑,说你看,这坑的形状,跟我家猫昨天挠的沙发印一模一样。 你看,哪有什么高大上的神话。全是这些蹲在电镜旁边,对着坑点数的日常。

商用那天,我们最先感受到的根本不是“无限能源”

很多人一提到核聚变商用,第一反应就是以后电费不要钱了,开车永远不用加油,星际旅行都能安排上。 说实话,我第一次听这话的时候也热血沸腾。但跟一线的人聊多了就知道,真到了第一台商用聚变堆并网那天,最先改变的根本不是你的电费账单。 是什么? 是我们对“可控”两个字的重新理解。 你想啊,以前我们用的所有能源,本质上都是从地球的存量里挖——挖煤,挖石油,挖天然气,挖铀矿。这些东西挖一点少一点,挖的时候还要破坏地表,还要排碳。但聚变的燃料是什么?是海水里的氘,一升海水里的氘提取出来,燃烧放的能量相当于300升汽油。全地球的海水里的氘,够全人类用几十亿年。 但真到那一天,你不会突然就拥有了随便浪费的底气。相反,你会发现人类第一次能把能源的边界,从地球的存量,拉到宇宙的尺度。到那个时候,我们想在戈壁上搞大规模的沙漠治理,想在南极建永久的科考站,想把海水淡化成淡水给西北的干旱地区,根本不用再算“发这些电要花多少煤钱”。 不过话说回来,也别把这一天想得太近。 我上次问那个在走廊啃盐水鸭的工程师,你觉得聚变堆真能跑到商用的那天,你多大年纪? 他咬了一口鸭腿,油顺着指缝流下来,想了想说,我今年38,争取能在退休前,亲眼看见第一度聚变发的电,从电网里送到我家楼下的充电桩上。 就够了。 没人说要一步到位搞出什么终极能源。就是一步一步磨,磨过磁场晃荡的坎,磨过材料扛不住中子轰击的坎,磨过能量导不出来的坎,磨到那个火能稳稳飘在真空室里,能稳定放热,能把电顺着电线送到千家万户。 那天南京的梧桐道还是会飘碎毛絮,秋天的风还是会带着糖炒栗子的香味,啃盐水鸭的科研人还是会蹲在走廊拐角吐槽实验参数。只不过那时候我们知道,离我们几百公里的聚变堆发出来的电,正顺着电线流到城市的每个角落,点亮路边的路灯,点亮家里的台灯,点亮小孩子手里捧着的电子蜡烛。 没有什么惊天动地的时刻。 就是水到渠成的日常而已。

作者|科技

排版|科技

审核|乐乐

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文章名称:从南京梧桐道拐进实验室那天,我重新理解了核聚变的远与近
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