我在南京看核聚变:那团一亿度的火,离你家插座还有多远

去年9月23日,我在南京挤进展厅,隔着三层厚防弹玻璃,看见了那台半人高的托卡马克装置模型。
玻璃凉得冰手。
模型表面嵌着流动的蓝红光带,讲解员说,那就是一亿度等离子体的运动轨迹。
很多人隔着屏幕看了无数次核聚变的新闻,只有真站在这儿,才会觉得离谱——人类居然想把一亿度的火球,稳稳兜在小小的笼子里,用来给你我家里烧电。

人人都喊的“终极能源”,其实没你想的那么玄

说实话,我去之前也默认,核聚变就是“造个太阳,永远有电”。听完讲解才发现,好多常见的说法都错了。
它不是无中生有的魔法,也做不到“一滴海水烧一年”那种爽文剧情。
核聚变的原料,目前主流研究用的是氘和氚,都是氢的同位素。海水中氘的储量确实多到用不完,但氚这东西,自然界几乎不存在,得用锂来造,锂的储量虽然不算少,但也不是无限,只是比铀矿什么的多太多了而已。
原理说穿了也简单:两个带正电的轻原子核,要挤得足够近,才能粘成一个更重的核,这个过程会少掉一小块质量,这块质量就变成能量跑出来了。
难在哪?正电互相排斥啊,你得把原子核加热到一亿度以上,让它们飞的足够快,才能顶着排斥力撞到一起。而且这团一亿度的玩意儿,绝对不能碰到容器壁——一碰直接降温,反应熄了不说,什么材料扛得住一亿度烤?所以得用超强磁场把它整个兜起来,悬在装置中间,碰不到任何东西。

中国EAST托卡马克装置真空室实景
中国EAST托卡马克装置真空室实景

困住一亿度火,卡了人类几十年的问题到底是什么

现在全世界研究最多的,就是托卡马克这种环形磁场装置,很多科普把它画成甜甜圈,其实真不是正圆的甜甜圈。我看了实物模型才知道,它的环是拉长的,像个竖起来的甜甜圈,这么设计就是为了让等离子体更少晃荡。
晃荡,就是最头疼的问题。
你拿个绳子拴着篮球甩圈,你手劲不稳,绳子一抖,篮球就飞出去了对吧?一亿度的等离子体也是一样,只要有一点点不稳定,它就会蹭到装置壁,整个反应直接熄火。
前几十年,人类最多让这团火稳定待个几秒几十秒,我们国家的EAST装置前些年做到了1056秒长脉冲高参数等离子体运行,这已经是全世界顶好的成绩了——你没看错,就是从几秒熬到了一千多秒,花了整整几十年。
另一个卡脖子的是能量增益。就是你输入多少能量把等离子体加热,和反应本身放出来多少能量比。去年美国NIF发了个大新闻,说实现了能量增益大于1,好多媒体直接吹“马上就能用核聚变发电了”,这里头水可太深了。
那个增益算的只是激光打给靶的能量,和反应放出来的能量比,可整个NIF装置,激光储能要耗电,冷却要耗电,一大堆配套设备加起来,消耗的电能是反应放出来能量的一百多倍,这叫哪门子净发电啊?
说白了,就是走通了第一步,离终点还有好长一截路。

托卡马克装置磁场约束等离子体示意图
托卡马克装置磁场约束等离子体示意图

我们这代人,能用上核聚变发的电吗?

我们这代人,能用上核聚变发的电吗?
我们这代人,能用上核聚变发的电吗?
我当时拉着讲解员聊了好久,问他到底还要等多久,他说的很实在,没有画饼,也没有泼冷水。
现在国际合作的ITER装置,就是那个建在法国的大堆,现在还在收尾,预计2035年左右第一次做点火实验,这个堆的目的就是搞清楚,我们到底能不能稳定持续的得到净能量输出。
等ITER跑通了数据,才会建第一个示范发电站,示范电站要试跑十几年,验证所有的工程问题,最后才能商业化推广。这么算下来,最快的话,我们这代人退休前,就能在家用上核聚变发的电。慢一点,也就到本世纪中叶。
不过话说回来,哪怕真要等五十年,砸这么多钱搞核聚变,真的值吗?
当然值。
现在我们用的能源,各有各的毛病:火电要排碳,风电光伏靠天吃饭,储能现在还没完全解决,现有裂变核电,原料有限,废料还要处理上千年。核聚变真搞成了,废料都是短半衰期,几百年就降到安全水平,原料够人类用上亿年,相当于直接给人类文明解开了能源枷锁。
网上好多人吐槽说核聚变“永远还有五十年”,都是跟着瞎起哄。你回头看五十年前,那时候人类连稳定运行一分钟都做不到,现在都到一千多秒了,增益也破1了,哪一步不是实打实的进步?哪有科技突破是一蹴而就的?
那天临走前我又回头看了一眼那个模型,流动的蓝红光带转得很慢,像一团安静的火。
很多人觉得核聚变是远在未来的科幻,其实它就是现在,一群人在实验室里,一点点调磁场,一点点测温度,攒出来的进步。说不定哪天,你插插座给手机充电的时候,那点电,就来自几千公里外,那团被磁场稳稳兜住的,一亿度的火。

作者|科技

排版|科技

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