等了70年的“人造太阳”,离我们还有多远?

去年四月的某个下午,我正蹲在合肥科学岛的路边啃菜包,同行的年轻研究员突然把半瓶冰红茶塞我手里,指尖还沾着点机房里带出来的冷却油味,说“成了”。

那时候我还没反应过来,嘴里的包子都没咽下去,就被他拽着往实验楼的方向走。后来我才知道,那天的EAST装置,把稳态高温等离子体的运行时间,拉到了新的量级。

别再把氢弹和实验室核聚变搞混了

很多人第一次听核聚变,第一反应是“哦,就是氢弹嘛”。

错得离谱。

氢弹是把氘氚燃料往一起猛压,靠原子弹的扳机炸出来的瞬间释放——爽是爽,炸完啥都没了。我们要的核聚变,是把这股爆冲的劲儿,摁在一个看不见的磁场笼子里,让它安安稳稳烧几个小时、几十个小时,持续往外吐热,烧开水,推汽轮机,发电。

合肥科学岛EAST装置内部真空室实景
合肥科学岛EAST装置内部真空室实景

说实话我第一次凑到观察窗跟前的时候,完全没找到科幻片里那种炫光乱飞的震撼感。隔着十几厘米厚的铅玻璃,只能看到里面黑黢黢的真空室,外面缠满了像巨型弹簧一样的铌钛超导线圈,连个热气都没有。旁边的研究员笑我,说这温度高到上亿度,你要是能看见光,那早就被烤成灰了。

很多人对核聚变的误解,本质上是把“瞬间爆冲”和“稳态运行”搞混了。前者是武器,后者是能源。这俩的区别,大概相当于你把一整桶汽油点着了炸一下,和你把汽油按稳定流速倒进发动机,连续跑上十万公里。根本不是一回事。

那个困住上亿度高温的“笼子”,到底有多难造

你想啊,温度高到上亿度的时候,世界上所有固体材料碰上去,连原子结构都直接气化了,根本没法用实体的墙去挡。那怎么办?用磁场啊。

带电的等离子体粒子,在磁场里会顺着磁感线跑,只要把磁感线弯成一个闭合的甜甜圈形状,这些粒子就会在圈子里绕啊绕,撞不到外面的实体壁。这套装置有个大家听熟了的名字,叫托卡马克。

托卡马克装置环形磁场约束等离子体示意图
托卡马克装置环形磁场约束等离子体示意图

现在大家在实验室里碰到的最大麻烦,根本不是“能不能点着火”。点火这事,20多年前的实验装置就已经实现了——几亿度的等离子体,点个火跟你用打火机点着燃气灶似的,不算难。难的是稳。

就像你在家用燃气灶煮火锅,火点着了不算本事,能让火不晃、不溢锅、不烧干汤,连续煮上几个小时,才叫真的会煮。

我之前听一个做了20年托卡马克的老研究员吐槽,说他们现在干的事,跟古代人蹲在窑口烧陶瓷没区别。今天调一下线圈的电流参数,明天改一下内壁的钨材料涂层,后天发现边界上的粒子刮得太狠,又得回去重新算三个月的模型。没有什么一步登天的黑科技,全是磨出来的笨功夫。

之前有个科普作者打比方,说这个磁场笼子的控制精度,相当于你把一根头发丝切到万分之一的粗细,然后在几十公里外瞄准一个硬币大小的靶心,不能偏半毫米。我一开始还觉得这比喻太夸张,直到亲眼看到研究员调线圈的电流,精度要到毫安级——差一点点,等离子体就会撞在壁上,瞬间熄灭,几个月的准备可能就白费了。

别信“还有50年永远还有50年”的老梗

别信“还有50年永远还有50年”的老梗
别信“还有50年永远还有50年”的老梗

圈里流传了几十年的老笑话,说核聚变永远还有50年就能商业化。这话搁20年前说,没毛病。搁现在说,真的有点落伍了。

你仔细翻下最近10年的实验数据就会发现,之前大家从能维持1毫秒的等离子体,到能维持1秒,走了快40年。但从1秒到现在的几百秒,才走了不到10年。这个爬坡的速度,其实比很多人预想的快得多。

很多人担心这玩意跟传统的核裂变电站一样,会产生存上万年的核废料。其实真不是一回事。

聚变反应的最终产物就是氦——就是你吹气球用的那个惰性气体,无毒无害,连温室气体都算不上。唯一带点放射性的,是反应过程中打出来的中子,会把装置内壁的材料打活,但这个放射性的衰减周期也就几十年,根本不需要像裂变废料那样,挖个几百米深的地质仓库存上万年。

可能有人会问,现在风电光伏、水电核电都够用来,费这么大劲造这玩意干啥?

说实话,风电光伏再好,也得看天吃饭。阴天、连续没风的日子,总不能让大家把空调关了、把工厂停了吧?核聚变这玩意,只要燃料够,就能24小时稳当当地发电,不挑地方,不管你是在沙漠里还是在海岛上,只要把装置运过去,就能自己产热发电。哦对,燃料也便宜,从海水里提取的氘,一升海水里的氘,聚变产生的能量相当于300升汽油——够你家小轿车从北京开到广州再开回来。

上次跟那个年轻研究员聊天,他说现在刚进实验室的年轻人,早就不似老一辈那样,抱着“为人类造永恒能源”的宏大叙事干活了。大家就是盯着当天的实验数据,看哪个参数飘了,哪个线圈的温度不对,第二天再接着改。没有什么惊天动地的历史性时刻,成了,就凑钱买几瓶冰可乐庆祝一下。没成,就回去改代码、查线路,接着磨。

那天我从科学岛出来的时候,太阳刚好落到水杉林的后面,远处的实验装置在夕阳下泛着冷银色的光。风一吹,路边的狗尾巴草晃来晃去。我突然想起小时候看的科幻动画片,说未来的人坐着能飞的汽车,靠的就是这种从海水里来的能量。原来那时候以为远在天边的东西,现在就安安静静躺在我眼前的实验室里,等着我们慢慢把它磨成能用的样子。

对了,那个研究员说,等下次实验破了新的纪录,要喊我再来他家楼下,就着卤豆干吃包子。

作者|科技

排版|科技

审核|白杨

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