1升海水等于300升汽油?中国再出重要成果!

在二战时期,美籍意大利裔物理学家恩里科·费米,在一个半地下室里建立了人类第一个完全自主自持的链式核反应堆“芝加哥一号堆”,尽管这个反应堆没有任何冷却系统,也无法产出真正的电力,外形也简陋到费米自己都称其为“一坨木料和黑色砖块”,但这个由30余名高中生一手打造的“土法反应堆”,是人类核子时代的曙光。

无论是毁灭还是创造,核反应已经彻底改变了人类的生活,现在,全球已经有10.4%的电力,来源于可控核裂变。

而核能利用的下一座“圣杯”,则自然是可控核聚变。可控核聚变相比目前广泛应用的核裂变而言,有不少决定性的优点。

第一个优点,就是更高的能量输出,人类早已能实现不可控的核聚变——氢弹,单纯从氢弹和原子弹的威力对比,便能有直观的感受;

第二个优点,是聚变反应产生的核废料(“氦灰”)半衰期很短,非常“干净”,反应堆安全性很高;

第三个优点,则是聚变反应的材料来源可谓“取之不尽”,聚变反应所需的氘、氚等核材料可直接取自海水中的重水和超重水,一升海水中所含的重水和超重水,利用聚变反应足够释放出相当于300升汽油的能量。

然而,可控聚变反应的实施,就不像当年“芝加哥一号堆”那样靠一堆木块和石墨砖搭出来了。可控核聚变几乎就是把一颗人造“小太阳”关在磁场打造的“笼子”里,利用磁场约束,令上亿度高温的等离子体不和反应堆内壁发生接触。

但等离子体是种能量极高的流体,即使有磁场约束,“行为”也难以预测。在托卡马克核聚变实验装置中,高约束等离子体的边界区域会周期性地爆发出一种称为边界局域模(ELM)的不稳定性状况,这“边界局域模”表现类似于太阳耀斑爆发,等离子体能量和粒子的瞬间释放对装置内壁和核聚变装置内的“偏滤器”都会有严重损伤。

现在,国际上对托卡马克聚变堆研究的热点之一,便是如何驾驭住这“边界局域模”现象,可以说,控制甚至完全抑制ELM,是可控核聚变领域的核心技术之一。为此,各国都拿出了一些解决方案,而在近日,中科院离子体物理研究所的EAST超导托卡马克团队,发现了解决“边界局域模”问题的一个全新方案,西方多国专家已经发来了贺电。

“边界局域模”有多个种类,大部分“边界局域模”对反应堆都会有恶性影响,然而,有一种自发高频小幅度的“‘杂草’型边界局域模(Grassy ELM)”,带来的瞬态热负荷只有其他大幅度ELM的二十分之一,被认为是解决ELM问题的潜在手段。而这次中科院离子所的EAST团队,便是发现了一种利用自发式杂草型ELM的高性能稳态等离子体运行模式。

此外,在达成杂草型ELM的高性能稳态等离子体运行后,中科院EAST团队还发现这种杂草型ELM不仅不会造成聚变堆内的瞬间能量释放,还对等离子体内的杂质有很强的排出能力,相当适合长时间高稳态运行。

中科院EAST团队的这一创举解决聚变堆瞬态热负荷瓶颈问题,实现聚变堆的稳态运行提供了一种潜在的新方案。当然,放眼全球,为实现聚变堆稳态运行的新方案不在少数——毕竟,全人类都在为聚变反应堆这一“第四次工业革命”齐心协力。

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