中國人造太陽正式誕生,不過這個“太陽”到底有什麼用?

超級數學建模


中國的人造太陽(EAST)裝置,就是模仿太陽發光發熱的原理,實現人工可控核聚變,釋放能量,如果能夠成功,那就是可以供給人類生活生產需要的終極能源。

太陽發光發熱供給了整個太陽系的能量,它靠的就是宇宙精心設計的太陽核心處的核聚變反應堆,在太陽的核心,溫度和壓力都及其之高,太陽通過巨大質量把高溫等離子體約束在一起,時時刻刻以一定的速率進行著聚變反應,根據目前太陽聚變的速率,它還能繼續燃燒50億年。

我國正在建造的人造太陽裝置,是人造太陽環流器二號。這是一種大型的託卡馬克裝置,通過磁約束等離子體,來實現人工可控核聚變反應,其中的等離子體溫度可以達到1.5億度,這樣的高溫可以提高可控核聚變的時間,為高溫等離子體研究和人工核聚變裝置的實用化發展奠定基礎。

可控核聚變一旦實現實用化和商業化應用,那麼困擾人類的能源問題不再存在,人類也可以從容的去探索星級大海,當目前來看,還需要幾十年的歷程,而且是圖1中的那種大型裝置,當然,我們都希望實現鋼鐵俠那樣的小型動力裝置,那麼人人都可以化身超級英雄了。


量子實驗室


先說結論,中國“人造太陽”這個裝置的最大意義在於提供核聚變研究平臺,助力開發人類的終極能源。以下是詳細說明。

什麼是“人造太陽”EAST

全超導託卡馬克核聚變實驗裝置裝置,其運行原理就是在裝置的真空室內加入少量氫的同位素氘或氚,通過類似變壓器的原理使其產生等離子體,然後提高其密度、溫度使其發生聚變反應,反應過程中會產生巨大的能量。2009年,世界上首個全超導非圓截面託卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)首輪物理放電實驗取得成功,標誌著我國站在了世界核聚變研究的前端。2016年2月,中國EAST物理實驗獲重大突破,實現在國際上電子溫度達到5000萬度持續時間最長的等離子體放電。2018年11月12日,從中科院合肥物質科學研究院獲悉,EAST近期實現1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破。

人造太陽有什麼用

能源是可以為人類生產或生活提供所需的光、熱、動力等任一形式能量的資源。作為人類最偉大的發明之一和未來最理想的能源,核能在世界能源體系中扮演著越來越重要的角色。

而人造太陽就可以提供核聚變研究平臺,助力開發人類的終極能源。

什麼是核聚變?

核聚變,顧名思義,是利用原子核聚變反應產生能量。人類最早發現的核聚變反應是太陽內的核反應,它不斷地向外輻射能量,向地球輸送能源。因此,核聚變也被看作是宇宙的能源。它的好處也是顯而易見,比如安全性高,廢料處理成本低,原料容易獲得等等。

核聚變的燃料,氫的同位素氘在海水中儲量極為豐富,從一升海水中提出的氘,在完全的聚變反應中可釋放相當於燃燒300升汽油的能量。核聚變反應堆不會產生汙染環境的硫、氮氧化物,更不會釋放溫室效應氣體,而且核聚變反應堆具有絕對的安全性。可以說它是一種無汙染,無核廢料,資源近乎無限的理想能源。受控核聚變發電的實現將從根本上解決人類的能源問題。這話說起來容易,實踐起來談何容易,太陽是一顆中等質量的恆星,質量相當於地球的N倍,其內部可以達到1500萬度的高溫和N個大氣壓的高壓,所以能夠產生可持續的核反應。而氫彈,其爆炸機理乾脆就是用原子彈當引信,利用原子彈核裂變反應產生的高溫高壓引發核原料產生聚變反應。受控核聚變反可用慣性約束或者磁約束的方式使之發生可控的、安全的核聚變反應,從中獲得的熱量可以轉化為機械能,進而轉化為電能,以替代目前廣為使用的化石能源。

以上是我對問題“中國人造太陽正式誕生,不過這個“太陽”到底有什麼用?”的回答,歡迎大家在評論中與我交流討論。


奧秘365


中國的人造太陽誕生史,可是一部辛酸史啊。現在我們EAST可是世界第一梯隊的水準,開會都是首先發言的水平吶,讓我來補充幾個知識點吧。

人造太陽的原理

人類的能量,歸根結底來自太陽,石油煤炭天然氣甚至食物都是太陽賞飯吃。地球本身就是個大號的太陽能電池,充電四十億年,就為了我們這幾百年的揮霍。

隨著科技發展,特別是愛因斯坦靈光一閃後,人類認識到,宇宙間的能量,無非就是粒子的分分合合,石油充其量只能算個四級經銷商,莫不如直接從粒子直接下手,於是就出現了“可控核聚變”的概念。

中國核聚變辛酸史

中國核聚變可是一窮二白出身,在人家飈參數出大招的年代,我們自個連彩電還搞不定。70年代硬著頭皮上了第一臺託卡馬克CT-6,一塌糊塗;1984年繼續上的環流一號(HL-1),慘不忍睹;後來的HT-6、HT-6B、HL1M、HL-2,也沒什麼突破和亮點。

天有不測風雲,蘇聯突然掛了!我們直接把蘇聯的T-7捎走,順到還拐走了幾個下崗待業的專家,有了這筆橫財,從此才走上了發家致富的道路。

我們自己把蘇聯的T-7改名HT-7(合肥超環)。自己潛心研究了20年,直到EAST的順利運行。最好成績是放電63.95秒,僅次於法國的Tore-Supra,但HT-7培養了大量的人才,為最近的爆發打下了堅實的基礎。

EAST是全世界第一個全超導的託卡馬克(別人都是部分超導)!2006年EAST開始全面刷記錄,目前應該是唯一的“穩態高參數”運行的託卡馬克。

中國在磁約束方面,資金充沛、人才充實、技術儲備也足夠,在託卡馬克有絕對的領先優勢。2016年初EAST把記錄刷到了5000萬度102秒!

這個太陽有什麼用?

簡而言之:聚變發電=超低成本的電力。

如果電力足夠,來看組公式:

元素=設備+電力;

設備=元素+設備+電力;

糧食=元素+設備+電力;

武器=元素+設備+電力;

材料=元素+設備+電力;

如果不考慮人力成本和物理空間,製造任何東西,僅僅只需消耗:電力。

看到了吧,電是個好東西,這個世界上還有什麼事情是廉價的電解決不了的嗎?如果有,那就用免費的電!有了核聚變,就有了幾乎無限的免費的電啦。

結語

用電不要錢?共產主義社會從此降臨人世間啦。還不普大喜奔!


貓先生內涵科普



我國的“人造太陽”其實是用來實現可控核聚變的託卡馬克裝置,由於現實中的太陽也是以核聚變為能量來源的,因此我國的可控核聚變裝置也被稱為“人造太陽”,其最終目的就是讓我們得以利用可控核聚變的巨大能量從而徹底解決能源危機。

在很長一段時間內科學家都不知道太陽的能源究竟來自何方,直到上個世紀初隨著物理學的進步人們才意識到太陽發光發熱的能量來源就是內部的核聚變反應。巨量的氫元素在太陽核心的超高溫和超高壓環境中不斷髮生著核聚變反應,而地球僅僅接收了太陽能量的極小一部分就得以演化出萬千生靈。


第二次世界大戰之後人類也掌握了以核聚變為基礎的氫彈製作方法,但氫彈屬於不可控核聚變反應,只能用來破壞而不能用來為核電站供能,因此現在的核電站都是以可控核裂變為能量來源的。

可控核聚變釋放的能量要比可控核裂變大得多,而且沒有任何汙染和輻射產生,不同於核裂變所需的強核輻射原料,可控核聚變所需的原料從海水中就可提取,更重要的是目前位於合肥的“中國太陽”已經能持續運行百秒以上,處於世界領先地位。


本世紀中葉到本世紀末可控核聚變技術就會完成從試驗到商用的跨越,屆時從海水中提取的核聚變材料將源源不斷散發熱量並蒸發液態水,產生的高壓蒸汽再帶動發電機發電,屆時我們就能擁有近乎無限的電能。


宇宙探索未解之迷



我們都看過《鋼鐵俠》,而鋼鐵俠的中心有一個微型託卡馬克裝置,這個託卡馬克裝置就是一個小型的可控核聚變反應堆 。可以為鋼鐵俠提供巨大量的能量。

而我們中國的人造太陽就是現實版的託卡馬克裝置,在中國有兩個這樣的託卡馬克裝置,一個在合肥,另一個在成都。

那麼這個人造太陽的託卡馬克裝置在世界很多國家都有,其目的就是為了研究可控核聚變。就像太陽一樣,太陽會發光產生能量的原理就是核聚變。經過我們地球只接受到太陽少量的一部分能量,但足以養育地球上的所有生命。這就是核聚變的威力。


但目前我們所應用到的核聚變僅僅限制在核武器上面,那是不可控的核聚變。而我們現在研究的就是使核聚變得到控制,目前控制核聚變最理想的方法就是利用磁力。像一個磁線圈一樣,把氣體加熱到上億度,從容使粒子劇烈的碰撞產生核聚變釋放能量。

可控核聚變所需要消耗的物質僅僅是少量的幾滴海水,就可以釋放巨大的能量。可控核聚變研究成功,也就意味著我們再也不缺能源了,到時候我們就不用交電費了,而且我們還可以生產很多機器人來代替我們幹活,因為那個時候我們就不用發愁機器人所消耗的電量了。那會是一個享樂的時代,我們的工作會變得很輕鬆。


目前我們可以實現可控核裂變,核裂變和核聚變的差距是非常大的,核聚變所釋放的能量要比核裂變釋放的能量要大的多。目前可控核裂變廣泛用於核電站的核力發電。

現在很多國家都在研究可控核聚變,相信在不久的將來,可控核聚變會被人類文明攻破。以後就不用為電費發愁了。

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解決未來的能源問題

能源問題迫在眉睫

其實“人造太陽”要解決的是老生常談的問題了,從現代科學開始,人類的發展簡直是飛速的,而隨之而來的是人口的爆炸。

更多的人口就需要更多的生存空間以及能源。而我們現在主要依靠的是化石能源,儲量有限,而且對於空氣的汙染十分嚴重。於是,科學家就一直在探索新能源,這種能源是希望既清潔、高效、成本低、易獲取。其實,科學家發現了很多,比如:太陽能,風能,潮汐能等等。但這些或多或少都有一些問題,後來人類發明了核武器,發現核武器產生的能量非常大,可是核裂變的汙染十分嚴重,但是核聚變卻十分清潔,並且最主要的原來是氫元素,是比較好獲取的。

但是,我們知道的是,氫彈一炸就沒了,我們不能要發個電就炸一下,那是不太合理的,所以科學家把想法聚焦到了可控的核聚變上,而對於“人造太陽”的研究其實就是在研究可控核聚變。

太陽燃燒其實是可控核聚變

可能你會說真的存在“可控核聚變”麼?實際上,是真的存在,就是太陽。太陽沒有一下子全炸了而是一直處於向外輻射能量的狀態就是依靠就是可控核聚變。整個過程大概是這樣的,太陽由於自身引力很大,就會向內壓縮,這時候太陽核心溫度就會暴漲,當溫度達到一定時,核聚變就會被點燃。

核聚變被點燃之後,就會向外產生壓力(本質上就是氫彈爆炸向外的衝擊波產生的力)。而這個向外的壓力和引力其實會形成動態平衡。引力佔上風,中心溫度上升,核聚變反應就會劇烈一些,產生更大的向外壓力和引力抗衡。同理,核聚變反應劇烈時,中心受到的引力下降,溫度就會下降,核聚變反應就會減緩。

“人造太陽”的原理

“人造太陽”目前還有很多問題需要解決,它還處於非常初級的階段,整個過程基本上可以理解成通過磁場來約束等離子體的運動,然後實現可控核聚變反應。如果未來能夠實現並且商用,人類的能源問題就能夠被解決掉了。


鍾銘聊科學


太陽釋放的能量是在其核心處的核聚變反應所提供。在太陽核心處的壓力達到了3000多萬個大氣壓,溫度在1300萬度以上,物質密度達到了每立方厘米150克。在這樣的條件下才能克服氫原子核之間的庫倫力,使得較輕的氫原子核合併成較重的氦原子核。在這個過程中會損失0.7%的質量。這些質量會轉換成能量釋放出來。

圖:太陽中進行的質子-質子核聚變反應

從太陽核心的反應來看,核聚變反應需要條件十分的苛刻。目前人類實現的核聚變反應已經應用在了武器製造上~氫彈。氫彈是利用原子彈起爆提供的高溫和高壓來使得核聚變反應能夠進行。

但可以控制的核聚變反應還沒有完全達成。因為無法在可控的情況下達到如此高的壓力,只有提高反應溫度使得核聚變反應能夠發生。但是沒有任何容器能夠這樣的高溫。科學家想出了利用磁場來約束反應物質,這個設備就是託卡馬克裝置。


圖:


先進實驗超導託卡馬克實驗裝置(EAST)

在2018年11月,中國的先進實驗超導託卡馬克實驗裝置(EAST)已經能夠達到1億度的高溫使氘~氚(兩者都是氫的同位素,核聚變反應需要的條件最低)核聚變能夠發生。但這還沒有達到最終目標,EAST的目標是達到1億度,並持續10000秒,產生超過100萬安培的等離子體電流。這個目標應該會在幾年內實現。

可控核聚變反應的實現使得人類能夠擁有幾乎無窮無盡的能源,地球上目前儲存的氘住夠人類按目前的能源消耗水平使用上百億年。這是人類走向未來最為關鍵的技術,也是人類必須要擁有的技術。


講科學堂


未來一升海水裡提取的氘,在完全的聚變反應中可釋放相當於燃燒300升汽油的能量,是可供人類使用上百億年的未來終極能源。


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