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2022-11-11

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能源區(qū)分文明等級

????????根據(jù)卡爾達肖夫指數(shù)理論，駕馭能量的能力是量化文明程度和衡量科技發(fā)展水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。這個理論將宇宙中文明劃分成了三個不同的等級，行星文明（一級文明）、恒星文明（二級文明）和星系文明（三級文明）。行星文明可以駕馭的能量大概是10的16次方瓦特，據(jù)此推算現(xiàn)如今人類的文明程度只有0.7級。化石能源只能算是文明“過渡期”的能源，人類真正邁入一級文明的“標(biāo)志”只能是可控核聚變的使用。

發(fā)展文明需要可控核聚變

????????核聚變反應(yīng)過程中幾乎沒有核輻射，廢料也幾乎沒有放射性，反應(yīng)還好控制——只要斷電就可以終止，無需擔(dān)心出現(xiàn)恐怖的核事故。因此，可控核聚變簡直就是人類夢想中的能源形式，一旦實現(xiàn)，人類文明無疑會再上一個臺階。

可控核聚變的困境

????????產(chǎn)生可控核聚變需要的條件非常苛刻。我們的太陽就是靠核聚變反應(yīng)來給太陽系帶來光和熱，其中心溫度達到1500萬攝氏度，另外還有巨大的壓力能使核聚變正常反應(yīng)，而地球上沒辦法獲得巨大的壓力，只能通過提高溫度來彌補，不過這樣一來溫度要到上億度才行。核聚變?nèi)绱烁叩臏囟葲]有一種固體物質(zhì)能夠承受。

????????那么還有什么別的辦法？

把核聚變關(guān)進“籠子”—托卡馬克

????????用實打?qū)嵉奈镔|(zhì)不行，幾個蘇聯(lián)物理學(xué)家在1950年代想出了一個新方法：用看不見摸不著的磁場，即依靠強大的磁場來給等離子體編織一個逃不出去的籠子，實現(xiàn)磁約束核聚變。

????????這便是所謂的“托卡馬克（Токамáк）”。這個名字來源于四個俄語單詞—環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、線圈（kotushka），而這也恰好體現(xiàn)了它的主要構(gòu)造。托卡馬克的中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加速，進而加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。外形酷似一堆被放倒的輪胎。

????????托卡馬克裝置的工作原理可分為微波加熱和磁約束兩部分：

(1)?微波加熱的作用就是加熱、加速粒子，從而生成等離子體，并使粒子達到極高的速度。

(2)?磁約束的作用是將等離子體約束在磁場中，發(fā)生相互作用，磁場越強，約束能力也就越強。因此我們可以通過調(diào)控磁場的強度與分布，把等離子體約束在一定范圍內(nèi)。

????????托卡馬克裝置的核心就是產(chǎn)生強磁場，磁場強度需要大于10特斯拉。我們熟悉的普通磁鐵和冰箱貼，它們的磁場強度僅有0.001-0.01特斯拉，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到技術(shù)要求，為此就要用線圈通電產(chǎn)生磁場。而線圈由導(dǎo)線纏繞組成，無論哪種材料，只要在超導(dǎo)溫度以上，電阻是必然存在的。

????????托卡馬克裝置要想產(chǎn)生極強的磁場，導(dǎo)線中必須通極大的電流。導(dǎo)線中的電阻不僅導(dǎo)致能耗增加，而且也限制了極大電流的產(chǎn)生。

????????幸好，超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展給這一問題帶來轉(zhuǎn)機。只要借助超導(dǎo)技術(shù)，理論上就可以解決電阻和損耗的問題，于是，使用超導(dǎo)線圈并使用液氮或液氦制造超低溫的托卡馬克裝置就誕生了，這就是超托卡馬克。

世界各國發(fā)展情況

????????目前為止，世界上僅有4個國家有大型超托卡馬克裝置，它們分別是：法國的Tore－Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U，和中國的EAST。除了EAST以外，其他幾個都只能叫“準(zhǔn)超托卡馬克”，因為它們的水平線圈是超導(dǎo)的，垂直線圈則是常規(guī)的，因此還是會受到電阻的困擾。

中國的可控核聚變

發(fā)展規(guī)劃

????????通過幾十年來這些裝置的設(shè)計，研制和運行試驗的過程中，中國迅速積累了一大批優(yōu)秀的聚變科學(xué)家和工程師隊伍。我國在磁約束聚變的研究上制定了近期、中期和遠(yuǎn)期技術(shù)目標(biāo)，分別為：

(1) 近期目標(biāo) (2015—2021年) :建立近堆芯級穩(wěn)態(tài)等離子體實驗平臺, 吸收消化、發(fā)展與儲備聚變工程實驗堆關(guān)鍵技術(shù), 設(shè)計、預(yù)研聚變工程實驗堆關(guān)鍵部件等;

(2) 中期目標(biāo) (2021—2035年) :建設(shè)、運行聚變工程實驗堆, 開展穩(wěn)態(tài)、高效、安全聚變堆科學(xué)研究;

(3) 遠(yuǎn)期目標(biāo) (2035—2050年) :發(fā)展聚變電站, 探索聚變商用電站的工程、安全、經(jīng)濟性。

????????同時制定了中國磁約束聚變（MCF）發(fā)展路線示意圖：

“我的夢想就是在有生之年，有一只燈泡被核聚變點亮，

而且這一只燈泡一定要在中國！”

——李建剛院士

參考文獻

[1]DeepTech深科技《MIT一次刊發(fā)7篇論文，詳解“人造太陽”重大突破.Nuclear Fusion》

[2]知乎 汪鍵是個大胖子《人類技術(shù)停滯了嗎，可控核聚變是不是一個美麗的傳說》

[3]孫正明《核聚變堆超導(dǎo)導(dǎo)體材》

[4]探求隨風(fēng)者 《一級文明“巔峰”有多強？掌握核聚變不成問題,人類尚且未到達》

撰 稿 人:科協(xié)科創(chuàng)部?席鈺杭 張瑞德 陳逸凡

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