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第616章 核聚变基础知识
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第616章 核聚变基础知识 一

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    接下来的一段时间,徐辰的生活难得地恢复了平静。
    于是他开始了半闭关的状态,系统性地补习可控核聚变相关的知识。
    核聚变能产生巨大的能量,这一点算是基本常识了。氢原子核聚变成氦原子核,亏损的质量直接转化为能量,一克聚变燃料释放的能量相当于八吨石油。只要能稳定地让这个反应持续发生,人类就等于拥有了一个永不枯竭的能量源。
    徐辰对此并不陌生,虽然之前没有深度接触过这方面,但这些基础他还是有的。
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    ……
    要让氢的同位素(氘和氚)发生聚变反应,需要将燃料加热到至少一亿度。
    一亿度。
    太阳核心温度才一千五百万度。
    这就引出了一个绕不开的工程问题:地球上没有任何材料能承受这个温度。钨的熔点是3422度,已经是人类已知熔点最高的金属了,而核聚变需要的温度,是钨熔点的三万倍。
    所以,你没办法用任何材料装这团火球。你得想别的办法把这团比太阳还热的火球悬在空中,不让它碰到任何东西。
    ……
    人类为此想出了两条路。
    第一条:磁约束。
    原理并不复杂。上亿度的高温下,原子中的电子早就被扒光了,物质变成了完全电离的等离子体——带电的。既然带电,就能被磁场控制。用足够强的磁场把这团等离子体束缚在一个环形的真空容器里,让它悬浮在容器正中央,不接触任何壁面。然后让它慢慢烧。
    第二条:惯性约束。
    这条路的思路截然相反。既然控制不住,那就不控制了。
    怎么做?
    把一颗极其微小的燃料靶丸,用几百束超高功率雷射从四面八方同时轰击,在十亿分之一秒内把靶丸压缩到原来体积的千分之一,瞬间达到聚变条件,然后砰,一个微型氢弹。
    再来一颗,再砰。
    不断重复这个过程。
    每一次爆炸的当量极小,大约相当于几十公斤TNT,但频率极高。通过连续不断的微型爆炸来持续产生能量。
    这条路目前基本只有美国在死磕,核心装置叫「国家点火装置」(NIF),造价超过35亿美元,192束雷射同时聚焦到一个铅笔尖大小的靶丸上。光是那个靶丸的制造精度,就要求表面粗糙度小于1微米,相当于在一个足球场上找到一粒突出的沙子。
    徐辰看到这里,内心的评价只有两个字:邪路。
    从工程化发电的角度,这东西注定没戏。你得每秒钟生产好几颗精度极高的靶丸,还得每秒钟精确点火好几次。这在工程上简直是无法想像的要求。
    而且说起来,如果真要走「微型氢弹反覆炸」这个思路,其实有一个更朴素丶更暴力的方案——中国的彭先觉院士早年提出的核爆聚变电站构想:在山体内部开凿一个巨大的球形空腔,直接在里面引爆一万吨TNT当量左右的小型氢弹,用球腔壁上流动的液态锂或液态钠吸收爆炸热量,再通过热交换发电。
    听起来疯狂?但从工程可行性上说,这个方案反而要比雷射点火更靠谱。至少你不需要纳米级精度的靶丸。这个方案的主要挑战是规模而不是精度,而规模问题,从来都是工程上最容易被钱解决的问题。
    当然,这两条路徐辰都不打算走。他觉得磁约束,才是正道。
    ……
    让徐辰看得津津有味的,是托卡马克的历史。
    远比他想像中充满戏剧性。
    故事要从冷战最巅峰的1968年说起。
    当时苏联新西伯利亚的一群科学家对外宣布:他们发明的托卡马克(Tokamak)装置——一个像甜甜圈一样的磁约束环形容器——成功把等离子体加热到了一千万度,并且维持了几十毫秒。
    一千万度。几十毫秒。
    这两个数字在今天看来不算什么,但在1968年,西方所有实验室里的等离子体温度还在百万度量级打转,存活时间只有几微秒。苏联人声称的数据,直接比西方好了一个数量级。
    英国人第一个不服。
    当时英国卡拉姆实验室的科学家们,把他们最先进的雷射汤姆逊散射诊断设备装箱打包,直飞莫斯科——这在冷战时期本身就离谱。两个阵营的核物理学家,居然可以为了验证一个实验数据而坐到一起。
    结果一测,英国人脸上的表情一定很精彩。
    苏联人不仅没吹牛,实际温度甚至比他们自己公布的数据还要高一截。
    这个事件直接炸了整个物理学界。托卡马克这个词——俄语「Тороидальнаякамерасмагнитнымикатушками」的缩写,意思是带磁线圈的环形真空室。从此成为全球核聚变研究的绝对主流路线。美国人扔下了自己搞的仿星器,英国人放弃了自己的弹丸聚焦方案,全世界一窝蜂地开始造甜甜圈。
    顺便说个冷知识,托卡马克这个名字,是苏联科学家阿齐莫维奇的学生随口缩写出来的。这大概是人类科技史上最随意的命名之一,一个可能改变文明走向的装置,名字来源就是几个俄语单词的首字母拼凑。
    ……
    磁约束的另一条路线是仿星器。
    托卡马克的做法,是让等离子体自身通一个巨大的环形电流,这个电流产生的磁场与外部线圈的磁场叠加在一起,形成螺旋形的磁力线,把等离子体约束住。结构很优雅——本质上就是个甜甜圈加一组线圈,造起来相对简单。
    但代价是:等离子体里跑着几百万安培的电流。这股电流一旦不稳定,轻则能量泄漏,重则直接破裂。也就是前面说的那种几毫秒内电流归零丶把容器壁炸出坑的事,就是这么来的。
    仿星器的思路正好反过来。它完全不指望等离子体自己通电流,而是把所有约束工作都交给外部线圈——用一组形状极其扭曲丶复杂的三维线圈,直接在真空中拧出所需的螺旋磁场。
    没有等离子体电流,就没有破裂风险。天然稳定,控制上要省心得多。
    听起来好像仿星器更好?
    问题在于那组线圈。
    徐辰看到德国W7-X仿星器的线圈照片时,第一反应是——这玩意儿是谁设计的?疯了吧?
    五十根超导线圈,每一根都扭成了不同的三维曲面形状,没有任何两根是一样的,像是某种超现实主义雕塑。每根线圈的加工精度要求在零点几毫米以内,组装精度甚至更高——因为磁场的拓扑结构对几何形状极度敏感,差一点点,整个磁场构型就废了。
    所以这两条路的本质差异,其实是一种困难转移:
    托卡马克把困难留给了控制。造出来不难,但运行时要跟脾气暴躁的等离子体搏斗。
    仿星器把困难留给了制造。一旦造出来,运行就省心,但制造本身就是噩梦级工程。
    至于为什么1968年后全世界选了托卡马克而不是仿星器——原因其实很现实:托卡马克先出了数据。在科研经费有限的情况下,各国自然allin已经证明可行的路线,仿星器不是被否定了,是被暂时搁置了。
    事实上仿星器从来没有死掉。德国的W7-X到现在还在稳步推进,被不少人认为是后期型选手。只是因为起步晚丶投入少,几十年累积的实验数据跟托卡马克没法比。
    徐辰想了想,觉得两条路各有各的道理,仿星器的天然稳定性确实诱人。但他的情况比较特殊——系统只给了三年时间,没有余裕两条路都研究。托卡马克走得更远,公开资料最丰富,可以借鉴的经验最多,先吃透这个再说。
    ……
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