【材制|视角】如何高效烧水--托卡马克
初原载于 爱学习的 青春材制
2021-10-15
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1765年，英国的詹姆斯·瓦特发明了蒸汽机，而蒸汽机的原理是把蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械—机械能。而机械能，就是当时可利用的能量。
从此，烧水就成为人类把各种能量转化为可利用的能量的方法。
但是，怎样合理转化能量以达到既环保，又高效的目的呢？最近山西各地由于暴雨造成塌陷，就是因为过度煤炭开采。这种能源虽然利用简单，但是会造成污染、地质隐患。山西作为煤矿大省，又遇上了百年一遇的大暴雨，山洪、洪水、塌陷都在警示人们去寻找环保的能源。
那么有什么环保的能源？
1）太阳能
太阳能发电也可以“烧水”，但是成本奇高。
2）风能
受天气影响大，且成本高。
3）核能
核裂变易引发核泄漏，比如切尔诺贝利核电站事故。
而我们今天要说的，就是一种安全、可控、环保的新“烧水”方式—可控核聚变。
近日“达峰碳中和科技论坛如期举行”，中科院等离子体物理研究所所长宋云涛在演讲时表示，聚变能是核能发展的最终目标，我国在这方面处于世界前列，并且10年内有望建成示范工程。
那么，什么是可控核聚变呢？
一．可控核聚变概论
首先得说什么是核聚变。
核聚变是指两个轻元素（不光是氢元素）变成一个重元素的过程。
顾名思义，轻元素相比于重元素更轻，更易发生反应。
如图：
而可控核聚变，就是把这一过程通过机器放缓，再转化为人类可利用的能量。
因此，核聚变有着非常好的能源应用前景，能量密度极大，原料不是很贵，没有放射性污染，没有气体污染，没有二氧化碳的排放。
可控核聚变并不是什么前沿技术，相反，在在上个世纪就有了成形的实验机器。
二．可控核聚变的历史
最开始研究出这个装置的，是苏联。但是在当时，西方国家觉得这玩意没用，就没有研究。直到1969年，英国学家跑到莫斯科调查，发现这个方案可用且更高效。西方才纷纷建造托卡马克。后来我国也开始了可控核聚变的研究。
所以讲了那么多，我国是怎么实现可控核聚变的？
这就得说说咱们今天要讲的设备——托卡马克，俄意环状磁容器了！
根据聚变三重积，控制好高温，高压，能量约束时间，让三乘积达到一定阈值后，就能实现可控核聚变。
看起来很简单，可实际上远比想象的复杂。
常温常压下两个原子核，都因为带正电而排斥，而在高温高压下才容易让两个原子核克服排斥力。
如果你解决了高温和高压，在氘氚的混合气体中，原子核和电子就会分开，形成等离子体，在磁场的束缚下，等离子不断碰撞，产生质量亏损，释放能量。
而托卡马克装置，就解决了这个问题！
托卡马克装置，中央是环形真空外面围绕着线圈，通电时内部会产生巨大的螺旋形磁场，利用超强磁场约束等离子体，使其悬空高速旋转，不跟容器直接接触，避免烧坏设备，以达到受控核聚变的目的。
最后，用核聚变产生的巨大热量使水蒸发发电，变为人类可利用的电能。这也是为什么说可控核聚变本质上在烧水。
为什么对可控核聚变来说，托卡马克是可行的呢？
1.反应剧烈
等离子体被约束在纵向磁场中，垂直与磁场方向运动的带电粒子就会受到洛伦兹力作用做圆周运动，当产生等离子体电流时，带电粒子就有了沿磁力线方向的运动分量，圆周运动会变成螺旋运动。反应剧烈，产生大量能量.
2.安全
由于磁场的约束，带电粒子是无法飞出等离子体膜的。但是中子这种中性粒子是可以飞出来的。这牵涉到不同线圈构建的磁场位型。总的来说，等离子体是悬浮在真空室内的。
所以，温度高时，不会因为等离子体发生爆炸。而低温反应自然停止。
3.高温
托卡马克像电磁炉一样，在等离子体上下产生高频交变的磁场，使等离子体上产生感应电动势从而产生涡旋电流使等离子体温度上升。
所以我国目前在可控核聚变到哪个阶段了呢？
在全超导方面，我国的EAST达到了1亿摄氏度约束时间100秒的水平。金属钼材料制作的第一壁使用寿命8500小时，并且与法国联合研制的机械臂在不断改进过程中。
我国目前也开始实施自己的核聚变反应堆——CFETR．
CFETR的实施，将推动中国走向世界核聚变领域的中央，并成为代表中国参与全球科技竞争与合作的重要力量，使中国跨入世界聚变能研究开发先进行列，对解决能源危机问题具有重要意义，计划在2050年实现核聚变商业化，完成人类终极能源。
参考文献：
1新京报9月27日报道
2知乎 张子立《可控核聚变到底是什么》
3百度百科 《可控核聚变》
4图片素材来自网络及笔者手绘
撰 稿 人：材制科协科创部 童致卿 王海杨 姜诚骜
责任编辑：科技协会执行主席 马浩然
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