什么 能源 可以 取之不尽 ？中国 的 人造 太阳 EAST 装置 啥 原理 ？李永乐 老师 讲 托卡马克

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师

我们 在 上 一回 讲 了 太阳 的 核聚变 原理

那 有 小朋友 就 问 我

那 我们 中国 的 人造 太阳 到底 是 怎么回事 呢

它 有 什么 作用 呢

今天 我们 就 来 研究 一下 这个 问题

为了 研究 人造 太阳

我们 还是 首先 从 我们 现在 所用 的 能源 说起

我们 经常 听到 能源 危机 四个 字

但是 大家 可能 不 清楚 能源危机 到底 有 多 严重

我们 现在 所 使用 的 能源 大部分 都 是 化石 能源

化石 能源 就是 煤 或者 石油 以及 天然气 等等 这些 能源

这些 能源 面临 着 很大 的 问题

首先 就是 它们 是 非常 有限 的

大家 知道 吗 煤 看起来 很多

但是 根据 人们 目前 的 估算 量 大概 还 能 再 使用 200 年

200 年 之后 就 没有 煤 了

石油 就 更惨 了 只能 使用 几十年

几十年 之后 我们 汽车 就 没有 油 了

那时候 我们 该 怎么 办

同时 它 还 面临 很大 的 污染

比如说 现在 空气 经常 会 污染 北京 会 有 雾霾

那雾 霾 很大 程度 上 就是 因为 烧煤 引起 的

那 于是 怎么办 人们 又 想到 了 我们 可以 使用 清洁 能源

人们 又 发明 了 清洁 能源

什么 是 清洁 能源 呢

比如说 典型 的 风能 风能 是 比较 清洁 的

再 比如说 就是 太阳能 太阳能 也 是 比较 清洁 的

再 比如说 潮汐 我们 利用 海水 的 潮汐 作用 来 进行 发电

这些 也 比较 清洁 但是 它 也 面临 自己 的 问题

第一个 问题 就是 它 的 造价 比较 高 造价 会 很 高

现在 我们 使用 风电 的话 造价 是 比 这个 煤电 要 高得 多 的

因为 它 需要 造 一个 很 庞大 的 发电 装置

太阳能 也 是 这样 你 需要 造 非常 大 的 太阳能 板 才 可以

第二个 就是 它 的 能力 有限 发电量 是 比较 有限 的

我们 如果 全部 的 使用 太阳能 来 代替 这个 煤 和 石油

其实 还是 不太 现实 因为 现在 太阳能 转化率 还是 比较 低 的

那 怎么办 人们 又 发现 了 一种 新 的 能源 就是 核裂变

也就是 核电站 原子弹 的 那个 原理 核裂变

这个 能源 它 的 效率 非常 非常 高

但是 核裂变 也 有 它 的 问题 首先 它 也 是 一个 有限 的 能源

就是 地球 上 的 U235 你 开采 一段时间 之后 也 会 开采 完

大概 还 能 再 开采 个 几十年 有限 的

第二个 就是 它 面临 泄露 的 问题

咱们 都 知道 切尔诺贝利 核电站 的 事故

或者 日本 地震 的 时候 那个 福岛 核电站 事故

那么 这 一旦 泄露 了 对 人们 就是 致命 的 对 吧

所以 人们 非常 害怕

另外 还有 一件 事 就是 它 的 废料 处理

因为 核裂变 的 废料 它 是 有 放射性 的

它 可以 放射 好几百年 好 几千年

那么 这个 废料 就 需要 用 一些 材料 把 它 包 起来

埋到 地底下 或者 扔 到 海里 边去

但是 你 这个 包装 壳 如果 要是 坏掉 的话

它 这个 泄漏 物质 还是 会 再 出来 对 吧

继续 有 放射性 所以 也 比较 危险

因此 核裂变 也 有 它 的 问题 那 怎么办

人们 继续 去 研究 发现 还有 一种 比 核裂变 更好 的 装置

就是 核聚变

我们 知道 太阳 其实 就是 靠 核聚变 发光 的

太阳 会 把 氢 以及 它 的 同位素 氘 和 氚 把 它 聚 变成 物质 氦

在 这个 过程 中 它 就 可以 放出 巨大 的 能量

这个 能量 是 非常 大 的

那么 它 相比于 核裂变 有 什么 好处 这么 几个 好处

第一个 就是 核聚变 的 效率 更高

那 核裂变 已经 效率 非常 高 了

比如说 核裂变 的 时候

如果 我们 采用 1g 的 U235 去 进行 裂变 的话

它 大概 相当于 多少 吨 汽油 大概 相当于 1.8 吨 的 汽油

这么 大 能量 能量 非常 高 了 吧

但是 如果 你 要是 采用 聚变 的 方法 它 这个 效率 就 更 高

如果 你 要是 用 1g 的 氢 以及 氢 的 同位素 进行 聚变 的话

它 完全 聚变 之后 可以 释放出 的 能量 相当于 8 吨 的 汽油

你 看 这个 效率 还 比 裂变 要 高 了 很多 倍 对 吧

这是 第一个 它 的 好处

那么 它 的 第二个 好处 就是 它 的 原料 是 非常丰富 的

这个 氢 以及 它 氢同位素 在 什么 地方 呢

我们 知道 水 就是 两个 氢原子 和 一个 氧原子 构成 的

那么 水 里面 的 氢原子 就 会 有 它 的 同位素 氘 和 氚

我们 从 大海里 就 可以 提取 出 很多很多 的 聚变 的 材料

这个 大海 如果 我们 找 1L 的 海水

大概 可以 提取 出 33mg 的 聚变 原料

1g 的 聚变 材料 可以 变成 8 吨 油

那 33mg 的 聚变 材料 我们 可以 算一算

大概 相当于 是 300L 油

大家 仔细 看 这个 数据

1L 的 海水 可以 提炼出 300L 油 的 能量

这 是不是 真正 意义 上 的 水 变油 了

所以 说 这个 原料 是 非常 丰富 的

假如 我们 把 整个 大 海里

所有 的 这个 氢 的 同位素 都 拿 过来 聚变 的话

我们 会 发现 这个 能量 大概 相当于 世界 石油 储量 的 1000 亿倍

可以 供 人类 使用 几百亿 年

那 就 可以 使用 一直 到 太阳 爆炸 了

我们 都 还是 可以 继续 用 这个 材料 的

所以 这个 能量 基本上 是 取之不尽 用之不竭 的

还有 一个 好处 就是 它 安全 清洁

首先 说 安全性

说 这个 聚变 材料 不会 泄露 吗 不会 泄露 的 也 没事

因为 它 的 反应 条件 是 比较 苛刻 的

它 的 条件 必须 是 高温高压 高密度 这样 的 一个 条件 才 可以

假如 你 这个 材料 泄露 了

泄露 了 之后 它 就 不 满足 高温高压 高密 这个 条件 了

这样的话 反应 就 自动 停止 了

所以 你 不用 担心 它 泄漏 了 之后 会 继续 反应

对 吧 这 是 不用 担心 的

第二件事 就是 它 放射性 弱

它 的 这个 用 的 材料 有 一些 也 是 有 放射性 的

比如说 氢同位素 氘 和 氚 也 都 有 放射性

但是 它 的 放射性 半衰期 是 12 年

也就是说 经过 12 年 的 减半

经过 几十年 之后 基本上 就 没有 放射性 了

这 不像 U235 的 那种 材料

它 一动不动 放射性 几百年 几千年

它 可以 放射 很长 很 长时间

但是 这个 氢 的 这种 同位素 它 放射性 比较 弱

同时 生成 的 这个 阿尔法粒子 也 就是 氦 核 它 是 没有 放射性 的

所以 非常 的 安全 也 不会 污染 环境

更 不会 产生 雾霾 那种 二氧化碳

有人 说 那 既然 这么 好 咱们 就 赶紧 造 吧 造 起来 非常 困难

这是 为什么 呢 我们 下面 来讲 一下 托卡马克 装置

首先 我们 先 来说 一下 聚变 的 困难 到底 在 哪

主要 还是 刚才 说 的 这个 条件

它 的 条件 必须 是 什么 首先 要 高温

这个 高温 有 多 高 呢 大概 要 几千万 开尔文 或者 几千万 摄氏度

或者 是 上亿 摄氏度 这么 高 的 温度

那 这么 高 的 温度 的话

你 用 什么 去造 我们 现在 想到 办法 就 用 原子弹 去造

同时 这么 高 的 温度 你 用 什么 容器 去 装 呢

任何 一个 材料 面对 几千万 度 或者 上亿度 的 高温 都 会 融化 掉

对 吧 这是 一个 困难

第二个 就是 要 高压 高密 就是 你 密度 要 大 一点

同时 还要 时间 长

你 不能 说 你 反应 两秒钟 完事 了 是吧

你 得 时间 长 一点 才能 实现 持续 的 放电

所以 人们 现在 已经 搞出 了 核聚变 的 方法 那 就是 氢弹

但是 氢弹 只是 一瞬 之间 的

我们 怎么样 能够 控制 核聚变 的 速率

使得 可以 为 我们 服务 呢 这 就是 人们 要 研究 的 问题

那么 在 1950 年 的 时候

苏联 的 几位 科学家 提出 了 一套 理论

这套 理论 就 叫做 托卡马克 装置

托克马克 其实 是 俄文 几个 词 的 缩写

它 的 含义 叫 环形 真空 磁 线圈

环形 真空 磁 线圈 对 吧

从 那个 时候 开始 世界 各国

都 在 努力 的 去 研究 这个 核聚变 的 装置

然后 在 1989 年 的 时候

我们 知道 那个 时候 苏联 国内 形势 不太好

于是 他 急于 卖点 东西 换点 钱

1989 年 的 时候 苏联 就 准备 送给 我们 国家 一个 这个 核聚变 装置

就是 托克马克 它 型号 叫 H7

当时 我们 花 了 400 万 说 是 送还 要钱

花 了 400 万元 人民币 去 买 了 这个 装置

当时 我们 使用 的 是 400 万元 的 产品

什么 羽绒服 什么 瓷器 中国 的 家具 这些 东西

跟 他 换 了 一套 托卡马克 装置

拿 回来 之后 我们 花 了 三年半 的 时间 把 它 拆 了 又 装

做 了 很多 的 实验 最后 我们 决心 要 自己 开始 搞 一套 这 玩意儿

90 年代 开始 正式 中国 立项

一直 到 现在 我们 的 这个 项目 叫 EAST

这个 项目 也 就是 所谓 的 人造 太阳

那 我们 来讲 一讲 说 这个 人造 太阳 或者 托卡马克 装置

它 是 怎么 实现 对 这个 核聚变 进行 控制 的

首先 我们 先 来说 它 怎么 实现 高温 的 条件

首先 我们 知道 原子 是 由 原子核 和 电子 构成 的

正常 状态 是 这个 样子 电子 围绕 原子核 转

但是 在 极高 的 温度 下 它 就 会 变成 一种 叫做 等离子体 的 状态

正电荷 和 电子 它 就 分开 了 这种 物体 就 叫 等离子体

所以 我们 这个 人造 太阳 装置 也 是 在

中科院 合肥 等离子体 研究所 研制成功 的

那 我们 用 什么 方法 来 进行 加热 方法 就是 用 微波

也就是说 在 这个 实验室 里 有 一个 很大 的 微波炉

有 一个 很 功率 巨大 的 微波炉

这个 微波炉 的 功率 大概 是 10^7 瓦

也 就是 大概 相当于 我们 家用 微波炉 的 20000 倍 那么 大 的 功率

我们 用 这么 大 的 功率 的 微波炉

把 这个 分子 变成 了 一个 等离子体

这是 第一 步 它 的 温度 大概 可以 达到 1 亿 开尔文

1 亿 开尔文 也就是 大概 是 1 亿 摄氏度

第二步 这 1 亿 开尔文 的 东西 我们 拿 什么 去 束缚 呢

就是 用 强磁场

为什么 可以 用 强磁场 进行 束缚

因为 我们 知道 电流 是 可以 产生 磁场 的

比如说 有 一个 环形 的 电流

那么 它 在 空间 当中 就 会 产生 这样 的 一个 磁场

一个 环形 电流 就会 产生 磁场

我们 电视机 里面 的 磁场 其实 也 是 靠 环形 电流 产生 的

那么 我们 在 这套 托卡马克 装置 里面

它长 的 样子 大概 是 一个 轮胎 的 样子

中心 有个 心 是 吧 外围 有 这么 一个 套 这样

然后 这个 等离子体 就 在 这个 环 里面 运动 来 运动 去

那 它 为什么 不会 撞到 这个 环 然后 把 这个 环 融化 呢

这 就是 靠 磁场

我们 需要 在 这个 位置 加 这种 磁场 加 这个 电流 环

加 这么 一个 又 一个 的 电流 环

那么 每一个 电流 环 都会 产生 磁场 这个 磁场 的 方向 与 电流 垂直

最终 这 一大堆 的 环 就 会 产生 一个 什么 呀

产生 一个 环形 的 磁场

一大堆 的 电流 环 产生 了 一个 环形 的 磁场 对 吧

那 这个 磁场 要 非常 强大

这 就 造成 你 这个 环上 的 电流 要 非常 非常 大

电流 非常 大 那 这个 环 就会 发热 最后 会 烧掉

你 为了 防止 它 烧掉 怎么办 我们 需要 使用 超导 材料

所以 我们 现在 使用 的 这个 托卡马克 装置 都 是 超导 托卡马克

这里 边 这个 S其实 就是 superconductor 就是 超导 的 意思

这个 环 使用 的 超导 材料 电流 非常 大 造成 了 一个 很大 的 磁场

那么 我们 继续 说

磁场 对 这个 等离子体 它 的 束缚 作用 是 怎么 出现 的

我们 来说 一下 这个 束缚 作用

这 就 涉及 到 磁场 对 电荷 的 作用力 叫 洛伦兹 力 了

洛伦兹 力是 洛伦兹 比较 早 研究 的

比如说 这里 有 一个 磁场 是 向 右 的

那么 假如 有 一个 正电荷 正在 向 右 运动

这个 时候 它 不会 受到 力 的 作用 它 就 会 匀速 直线 运动

但是 如果 这有 一个 磁场 你 这个 正电荷 是 垂直于 磁场 运动 的

它 就 会 造成 一个 垂直 运动 电荷 方向 也 垂直于 磁场 方向 的 力

这个 力 就 叫 洛伦兹 力

而 在 这个 洛伦兹 力 作用 下 这个 电荷

它 实际上 会 绕 一个 圆圈 做 圆周运动

会 在 这个 垂直 平面 内 做 圆周运动

这是 第二种 情况

那么 大家 可以 想象

如果说 你 这个 磁场 是 向 右 的

但是 这个 粒子 的 运动 方向 是 斜着 的

既 不是 平行 的 也 不是 垂直 的 怎么办

此时 我们 就要 把 这个 速度 分解 成 两个

一个 向 右 的 速度 和 一个 向上 的 速度

其中 向 右 的 这个 速度 会 匀速直线 运动

而 向上 的 这个 速度 会 匀速圆周 运动 会 圆周运动

所以 这 两个 一 叠加 你 知道 粒子 会 怎么 运动 嘛

它 一边 往前 匀速 直线 一边 做 匀速 圆周

造成 的 结果 就是 长得 像 弹簧 一样 的 一个 螺旋 的 往前 运动

同样 道理 我们 这个 装置 里面 是 有 很多 的 等离子体 的

我们 加 了 一个 强大 磁场 之后 这个 磁场 的 作用 下

这个 等离子体 就 会 在 这个 环 里面 一点一点 的 这么 圆周运动

它 不会 碰到 这个 墙壁 对 吧

这 就是 所谓 的 磁 束缚 的 方式

说 起来 原理 并 不是 很 复杂

但 实际上 在 做 实验 的时候 我们 有 很多 需要 精确 控制 的 东西

这个 托卡马克 装置 提到 现在 已经 有 70 年 的 左右 的 时间

但是 到 目前 为止

全世界 还没有 任何 一家 实验室 能够 把 它 用于 商业化

因为 你 要 想 商业化 你 不能 光是 实现 聚变

你 还要 说 你 必须 出来 的 能量 得 大于 你 使用 这个 电能 消耗 的 能量

同时 你 还 必须 持续 很 长时间 的 放电

那 我们 现在 的 这个 合肥 等离子 研究所

我们 已经 实现 了 在 5000 万 摄氏度 或者说 5000 万 开尔文 的 时候

已经 实现 了 100 秒左右 的 放电 时间 100 秒左右

那 我们 下一个 目标 就是 把 5000 万度 再 提高 提高 到 1 亿 开尔文

而且 把 时间 从 100 秒 再 提高 到 1000 秒

假如 我们 真的 能够 做到 这 一点 的话

那么 我们 可能 离 商业化 就 更 近 了 一点

核聚变 的 商业化 是 非常 有用 的

我们 已经 说 过 了 它 是 一种 取之不尽 用之不竭 的 能源

不仅如此 它 相比 于 传统 燃料 有 很多 好处

比如说 我们 要 进行 太空 航行

那么 这个 宇宙飞船 的 重量 必须 要 轻 一点

我们 现在 的 传统 燃料 非常 重 带上去 了 之后 用 一用 就 用 完 了

如果 我们 携带 的 是 核聚变 燃料 的话

那么 我们 可能 在 宇宙 航行 的 几百年 时间 里面 都 用不完

大家 看 没 看过 一部 电影 名字 叫 《 太空 旅客 》

它 那里 边 的 装置 其实 就是 一套 托卡马克 装置

所以 它 的 作用 是 非常明显 的

同时 自主 研究 核聚变 对 我们 国家 来讲 也 是 非常 重要 的

因为 什么 呢 我们 国家 的 人口 是 美国 的 五六倍

但是 我们 国家 人均 使用 的 能源 其实 只有 美国 的 1/13

假如 我们 想 达到 跟 美国 一样 的 生活 标准 的话

那 我们 需要 五六倍 的 美国 那么多 的 能源

那 你 可以 想象 这个 世界 能源 可能 都 不够 我们 一个 国家 消耗 的 了

对 吧 所以 我们 必须 得 研究 出 一种 更加 高效 清洁 的 能源 来

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