随着人类社会的不断发展,我们对化石燃料的消耗速度越来越快。然而,这些化石燃料是地球与太阳经过漫长岁月反应形成的,据专家预测,现存的化石燃料仅够人类再使用两百年。当这些燃料耗尽时,我们是否注定走向灭亡?答案是否定的。国际新能源研究的主要方向指向了一种被称为"人工太阳"的科技创新,这将使我们在不久的将来拥有取之不尽、用之不竭的能源。

一、"人工太阳"

"人工太阳"并不是在天空制造一个新的太阳,而是一种受控的热核聚变反应堆。它之所以被称为"人工太阳",是因为能量产生的原理与太阳相似,都是通过氢元素的核聚变实现的。

与目前的核电站使用的铀和钚不同,"人工太阳"的核聚变过程涉及到质量较小的原子,主要是氢元素及其三种同位素:氕、氘和氚。

二、核聚变能量

根据物理学原理,原子核由不带电的中子和带正电的质子组成。由于两个带正电的原子核会相互排斥,当原子核靠近到一定距离时,强核力将在两个原子核之间产生作用。当强核力压倒电磁力后,原子核会发生碰撞并结合在一起,两个较轻的核会变成一个较重的核。在这个过程中,质量的损失将转化为核聚变能量。

三、实现可控核聚变并非易事

目前的氢弹虽然属于核聚变,但其能量释放过程过于短暂,无法转化为电能。国际上对可控核聚变的研究主要有两种方式:磁约束核聚变和激光约束核聚变。

如前所述,要实现强核力压过电磁力并触发核聚变,需要超高温度或超高压力。例如,太阳的中心温度达到了1500万摄氏度,同时还有由于质量巨大而产生的向内坍缩的超高压力,约为3000亿个标准大气压。然而,这样的压力只能在恒星内部实现,在地球上无法制造出如此高的压力环境。

因此,我们通过提高温度来弥补不足。目前,我国的托卡马克装置内温度已经达到了1亿摄氏度,并且能够维持1亿摄氏度的聚变环境超过100秒。然而,令人遗憾的是,在这100秒内输入的能量仍然小于输出的能量,因此无法用于发电。

四、什么是托卡马克装置

上世纪50年代,苏联科学家首先提出了托卡马克(TOKAMAK)的概念,这个词由环形(TOROIDAL)、真空(VACUUM)、磁场(MAGNETIC)和线圈(COIL)几个词组成。托卡马克是一种利用磁约束来控制高温等离子体的装置,是可控核聚变研究的主要设备之一。它由一个环形的真空室和一系列螺旋状线圈组成,通过在等离子体周围创建强大的磁场,将等离子体约束在中心区域,防止其接触到容器壁而损失能量。

现代托卡马克实验设备,如中国的"东方之光"等,采用了先进的超导磁体技术,可以产生强大的磁场来约束等离子体。通过在等离子体中注入氢同位素,如氘和氚,然后加热等离子体到非常高的温度,可以实现核聚变反应。

当等离子体达到足够高的温度和密度时,其中的氢同位素核会发生碰撞并结合在一起,释放出巨大的能量。这种能量可以转化为热能,然后通过传热介质转化为电能,用于发电和供应能源。

然而,要实现可控核聚变并将其应用于能源生产,仍然存在许多技术和工程上的挑战。其中之一是如何维持等离子体的稳定性,防止其与容器壁接触并损失能量。还需要解决如何高效地加热等离子体、如何处理产生的高能中子辐射等问题。

尽管目前的可控核聚变技术仍处于实验研究阶段,但科学家们对于实现可控核聚变并将其应用于能源生产充满信心。在不久的将来,人工太阳可能成为一种清洁、可持续和高效的能源解决方案,为人类提供源源不断的电力和热能,迈向一个更加环保和可持续的未来。