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太阳核心的产热效率比你还低,那“人造太阳”又如何解决能源危机?

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发表于 2022-1-17 16:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
太阳核心的产热效率比你还低,那“人造太阳”又如何解决能源危机?[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]

[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]Original [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]环球科学
环球科学 [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]2022-01-15 20:58
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正在看手机的你,功率密度其实比太阳核心还要高。图片来源:NASA/SDO

去年12月30日,我国EAST全超导托卡马克装置(东方超环)成功实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,再次创造新的世界纪录。实现人造可控核聚变,在地球上维持“人造太阳”,是解决全人类能源问题的一个重要途径。但其实,就算是“人造太阳”模仿的太阳本身,其核心核聚变的功率密度也非常低,甚至还不如我们人体。在这种情况下,就算实现了可控核聚变,我们还能凭它一劳永逸地解决人类的能源危机吗?

撰文|王昱
审校|白德凡

去年5月28日,东方超环实现了可重复的1.2亿度的101秒和1.6亿度的20秒等离子体运行;12月30日,它又实现了7000万度的长脉冲高参数等离子体运行1056秒。这些都是了不起的科研成果,是人类在实现“人造太阳”上的重要阶段性成就。

                               
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东方超环内部照片。图片来源中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所

东方超环这类装置,有着一个更响亮的名称——托卡马克(俄语:Токамак)。这是由苏联科学家在上世纪50年代发明的一种环形容器,其俄语名是其构成要素环形(тороидальная)、真空室(камера)、磁场(магнитными)和线圈(катушками)的缩写。顾名思义,它就是一个环形真空室,在其中遍布由线圈提供的强大磁场。在托卡马克中,强大的磁场对带电等离子体来说本身就是一个容器,没有任何实物直接和等离子体接触,所以等离子体可以被加热到很高的温度。当等离子体温度足够高,高到其中氘氚原子核的热运动可以克服彼此之间的库伦势垒时,它们就会撞到一起,形成氦原子核,放出一个中子和大量能量,这就是核聚变。

核聚变同样是太阳的能量来源,这也是这类装置被称为“人造太阳”的原因。不过这其中还隐藏着一个有趣的事实——其实“人造太阳”的温度比真正的太阳还要高


“纯天然”不如“人工仿”
这里说的当然不是太阳表面区区5500摄氏度,虽然人类仍然没有能承受这么高温度的材料,但想要达到这个温度还是很轻松的,电弧焊的电弧温度往往就能高达6000~8000摄氏度。我们真正需要对比的,是发生核聚变的太阳核心,那里的温度在1500万度左右

乍一看,1500万度是一个非常高的温度。但只要将“纯天然”的太阳和“人造太阳”对比一下,就会发现竟然是“人造太阳”的温度更高,而且几乎比太阳的温度高了一个数量级。1500万度的温度甚至不足以让氢原子核越过库伦势垒,发生聚变。只有依靠量子隧穿效应,我们才能才能解释,为何太阳核心温度这么低也能发生核聚变。


                               
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太阳结构剖面图,核聚变主要发生在太阳核心(Core)部分。图片来源:Kelvinsong/wikipedia

但也正是因为太阳核心温度太低,它核心的聚变功率密度大约只有276.5W/m³。人体发热功率大约在100W量级,体重在100千克量级,按水的密度估计人体的体积,人体的发热功率密度就已经到了1000 W/m³。考虑到人阅读时大脑运转消耗更多能量,并且大多读者体重也不会达到100千克,看到这句话时,你的发热功率密度甚至能比太阳核心高一个量级。

当然,这并不代表我们人类这就可以“飞上天和太阳肩并肩”了。人体会发热,也会散热,冬天我们需要穿的厚一点,正是为了减少散热维持体温。而太阳核心为了维持它核聚变的“体温”,它用来保暖的是整个太阳——这可比我们穿的羽绒服厚多了。更何况在太阳之外就是真空,太阳的大部分能量只能通过黑体辐射的形式散发出去,散热效率就更低了。所以太阳核心的温度比人体温度高得多,绝对通不过公共场所的体温检测。


聚沙成塔
但是既然太阳发热效率这么低,它又如何给几乎整个地球生态圈提供动力呢?原因很简单,它很大,也很持久。

太阳总质量占太阳系质量的99.86%,半径在70万千米左右,是地球的110倍。其核心半径约占整体半径的1/5~1/4,就算功率密度较低,它仍能靠庞大的体量产生极大的能量。在太阳核心中,每秒大约有3.6×10³⁸个氢核聚变,将430万吨的质量按E=mc²的规律转化成能量。这样的能量在太阳表面向外界以可见光的形式辐射出去,就算远在8光分外的地球轨道上,经过大气层的衰减,太阳辐射仍能在地表达到每平方米1千瓦左右的水平。

而太阳核心较低的功率密度又给我们带来一个好处,它能燃烧很久。虽然人体发热功率密度更高,但如果人不从外界摄取能量,大概一周就会“凉凉”,发热功率降低到0。太阳从50亿年前点燃核聚变的那一刻起,就没从外界摄取过任何能量,而它大约还能再燃烧50亿年。

持久稳定的能量供应,是地球生命诞生的重要条件之一。宇宙中第一批出现的恒星比太阳大得多,核心温度也比太阳更高,核聚变速率也比太阳高得多,但正是因为燃烧得太过剧烈,第一代恒星往往在几百万年内就燃尽了自己,这么短的时间是远不足以支持复杂生命诞生的。正是因为太阳核心不够“热”,我们人类才得以诞生。


可控核聚变
但这又引出了一个问题——如果我们造出来的“人造太阳”只能有太阳核心的功率密度,它的功率密度这么低,我们又如何凭它解决人类的能源问题呢?实际上,问到这个地步上,就能发现科学家制造“人造太阳”时,并不完全是按照太阳的标准来建造的。

在太阳核心中,氢元素主要是以单个质子的形式存在,带一个中子的氘和带两个中子的氚并不多。当两个质子撞到一起,就形成了氦元素——不带中子的“氦-2”。“氦-2”根本就无法存在,又会马上变成两个质子,从外界看来,也就没有发生核聚变。只有在两个质子碰撞的一瞬间,弱相互作用力主导的β衰变让一个质子衰变成一个中子,并放出一个正电子和电中微子,这个原子核才能形成氘核稳定存在。然后氘核才能按照质子-质子链(pp chain)的反应流程,继续进行核聚变。整个过程的效率非常低,用它来做“人造太阳”非常不合理。

                               
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质子-质子链反应流程,这种反应是太阳核心中主要发生的核反应,但其反应速率很低。图片来源:Dorottya Szam/wikipedia

在上述的核反应中,最关键的是“氦-2”中没有中子,不稳定。但如果我们一开始就用带中子的氘或氚反应,就不需要依靠不可靠的β衰变了,我们可以直接生成氦-4——放出大量能量,同时产生一个中子。并且,核聚变功率和等离子体温度几乎呈指数关系,温度提升能大幅提高核聚变的功率,在恒星核心如此,在“人造太阳”里也是如此。“人造太阳”的温度比太阳核心更高,聚变反应路线也比太阳核心更合理,也就有机会实现比太阳核心更高的功率密度。

不过距离实现真正的可控核聚变还有很长的路要走。现在的托卡马克只有继续提高等离子体温度,增大等离子体密度,延长等离子体的约束时间,才能实现可控核聚变。温度、密度和时间三者的乘积被称为三重积,只有它超过一定数值,才能实现向外供能的核聚变。

人类其实早就能让三重积超过聚变的门槛了,氢弹就是实例。不过氢弹温度太高,功率密度太大,利用起来难度太大。也并非没人提出过用氢弹发电的想法。俄罗斯技术物理研究院在1997年出版了《核爆氘能能源学》,他们在书中认真分析了爆炸燃烧锅炉方案的可行性。人们在山体中挖出一个空腔,在其中引爆氢弹,将其中热量转移出来用来发电。当然,到目前为止,还没有人实践这种听起来就很离谱的发电方式。

                               
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爆炸燃烧锅炉方案。在山体中引爆一颗氢弹发电,听起来很离谱,实际也没人尝试过。
图片来源:核爆聚变电站──人类未来能源的希望

在托卡马克的磁约束之外,人类还能用惯性约束点燃核聚变。核聚变“点火”(ignition)是指核聚变过程中,输出能量大于输入的能量,是将核聚变作为清洁能源使用的基础。去年8月8日,三个足球场大小的美国国家点火装置(NIF)将192束总能量为1.9兆焦的激光在20纳秒内聚焦到一粒胡椒大小的核聚变材料上,材料聚变释放出1.35兆焦的材料,输出能量达到了输入能量的70%。已经非常接近核聚变点火了。


                               
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美国国家点火装置已经非常接近核聚变“点火”了。图片来源:LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY

可控核聚变已经离我们非常近了。未来的国际热核聚变实验反应堆(ITER),其实验目标就是实现可控核聚变,让核聚变的输出能量达到输入能量的10倍。我国也已经立项了中国聚变工程实验堆(CFETR),并计划在2050年建设聚变商用示范堆。

有一个关于可控核聚变的著名玩笑:“实现可控核聚变,永远都还要等50年。”但实际上,在全世界科学家的努力下,可控核聚变已经离我们越来越近了。并且他们可以肯定,在相同体积下,“人造太阳”可比天上的太阳厉害多了。


参考文献:《天体物理导论》徐仁新https://www.cas.cn/jh/202201/t20220111_4821653.shtmlhttps://en.wikipedia.org/wiki/Sunhttp://webarchive.loc.gov/all/20011129122524/http%3A//fusedweb%2Ellnl%2Egov/cpep/chart_pages/5%2Eplasmas/sunlayers%2Ehtml《揭开核武器的神秘面纱》经福谦等著https://www.nsfc.gov.cn/csc_phone/kqkd29/kjyq1/20988/index.htmlhttps://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition



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