嫦娥5号、可控核聚变的突破,科技兴国当如是(大白话12.6)


最近这几天,在我国的高科技领域是捷报频频。
除了我过去两天文章里详细分析的“九章”量子计算原型机之外,我们在可控核聚变上还有重要突破,并且嫦娥5号也是在今天正式从月球上带回土壤,并顺利和返回器交会对接,完了重要一步。
从量子计算机到可控核聚变,再到探月工程,我们在高科技领域的这种突破态势,是很鼓舞人心的,特别是在当前我们和美国之间还打着科技战的情况下。
过去两年的科技战,我们的半导体产业被美国卡住了脖子,很难受。
华为都被迫把其线下的荣耀手机业务给剥离出售出去。
这种在芯片上的受制于人现象,让不少人没有信心。
再加上这两年层出不穷的高校乱象,也让人们对我们的科学领域能否保持充足的研发活力产生动摇。
这些问题是客观存在的,我们需要正视自身存在的问题,不能逃避,只有这样才能不断去改善优化和提高,才能把改革推进到深水区里。
但与此同时,我们不能因此就妄自菲薄,也不能把自己给一棍子打死,就像我之前文章说的那样,虽然我们的科研领域有一些滥竽充数的败类,但同时我们也必须看到,我们也有大量这种真正在搞研发的科研人员,不断的为我们的科技事业做出贡献。
像这几天捷报频频的量子计算机、可控核聚变、探月工程,背后都是有无数平时默默无闻的科研人员,去辛勤的搞研发。
这些人才是我们在科技领域的国之栋梁,他们撑起了我们的科技脊梁。
所以,我们也确实不应该妄自菲薄,因为一些存在的问题而失去信心。
同时也希望我们能尽快对高校学术乱象进行改革整治,清理这些害群之马。
这也是对那些在这种环境下,仍然能够脚踏实地搞研发的科研人员,最好的鼓励。
那么接下来,先具体说说可控核聚变。
能源,从来都是人类科技突破的主心骨。
从工业革命以来,几乎每一次科技突破都是伴随着能源突破。
比如说,工业革命就开始于蒸汽机的发明,人类的能源使用变成煤炭为主。
第二次工业革命则来自于内燃机,人类的能源使用变成石油为主。
不过在这之后,人类对于能源的使用,就卡在了一个瓶颈上。
虽然有核电站的出现,但这种基于核裂变的核电站存在着核废料难以处理,且存在这种一旦出现核事故,就有比较大安全隐患风险的问题。
不管是几十年前的切尔诺贝利事件,还是前几年的福岛核电站泄露事件,都是人类在和平利用核能上的警钟。
但人类的能源革命,从化石能源,突破到核能,也是时间的问题。
最关键就在于,可控核聚变能否实现。
在可控核聚变实现之前,人类只能在能源多样化上去努力,发展太阳能、风能等清洁能源,但这些清洁能源大都是间歇性能源,在我们电池储能技术仍然还没有重大突破之前,间歇性能源只能作为辅助能源,而没办法作为主要替代能源。
所以,人类能源革命的突破希望,仍然还是得寄托于可控核聚变身上。
核聚变是宇宙中最常见的一种反应,像太阳上每秒钟就有400万吨的氢元素发生核聚变释放大量能量,核聚变就成为太阳能源的释放来源,这些能量中只有一小部分照射到地球上,带来光和热,成为地球的能量主要来源,也是地球生命能得以存在的基础。
人类实现核聚变也很早,在使用核裂变的原子弹之后,人类很快就制造出使用核聚变的氢弹,可以说从技术上来说,人类实现核聚变并没有太难度。
然而,破坏比建设容易,单纯只能破坏的氢弹很容易制造出来,但是能造福人类的可控核聚变却无比艰难。
可控核聚变是人类目前最理想的能源方式,因为跟核裂变不同,核聚变的副产物并不会有放射性核废料这种问题,而且能量释放效率大大高于核裂变方式。
但可控核聚变有很多难点。

简单说就是要在地球上建造一个可约束的,并且可长期承受1.5亿~2亿度高温的装置。
氢弹之所以容易,是因为它只要引发最开始的核聚变反应,就可以依靠核聚变反应自身带来的高温,把核聚变反应连锁进行下去,而不需要考虑可控,所以自然救不需要考虑承受核聚变反应的高温材料问题,反正只要炸完就完事了。
所以,可控核聚变最难的地方,不在于原理,而只在于材料本身。
因为地球上目前还找不到可以承受超过1亿度高温的材料,我们的科技水平也制造不出这样的材料。
但不能因为没有材料,就啥都不干,所以科学家们还是想出了一个办法,用强磁场的方式,把高温等离子约束住。并把高温等离子体压缩到一个非常小的体积内,使其达到1.5亿摄氏度的高温,让其发生核聚变。
这个装置也被称为托卡马克。

托卡马克装置,也成为目前人类实现可控核聚变的唯一有希望途径。
托卡马克装置,最初是由前苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。
1985年,当时前苏联和美国共同倡议建造一个由国际主导的托卡马克装置,也被成为国际托卡马克装置,简称ITER。
这个也是目前国际核聚变领域上走得最远的一个项目,这个项目最早由美国、苏联、欧盟、日本共同建立,随后中国、印度、韩国也加入其中,成为一个由这7个国家共同推动的国际项目。
目前ITER的主体位于法国,由中核集团牵头的中法联合体负责ITER总装工程的核心部件建设。
但ITER毕竟是一个国际项目,为了能源安全考虑,我们还是要有自己的托卡马克装置。
所以这次首次放电的中国环流器二号M装置是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置,我们这个最新的托卡马克装置一个重要指标就是可以实现1.5亿摄氏度的高温约束。
这就是整个事情大致背景。
因为新闻报道存在不够全面,还有受众群对专业知识不了解所带来的一些误解。
比如说,在新闻通告里写着的时这个新装置“首次放电”,这里要注意放电和发电是两码事,不少自媒体分析这件事情的时候直接说发电,是不对的。
放电只是一种不受控的释放过程,跟可以直接拿来用的发电是有天壤差别。
目前正在法国建造的ITER,要到2025年完工,并且要到2035年才能正式展示这种持续时间比较长的能量增益装置,但即使那个时候,ITER仍然还只是放电,而不是发电。
放电和发电,虽然只有一字之差,但却是可控核聚变最难的点。
除此之外,这次的首次放电只是我们新建造这个最先进托卡马克装置的首次放电,而非我国可控核聚变项目的首次放电,其实在4年之前,我们就有其他可控核聚变项目实现放电,而且还放电了102秒。

不过我们从4年前这个新闻可以看到一个差别,当时这个持续放电102秒,是在5000万摄氏度这个高温下进行的。
而这一次最新的这个托卡马克装置的首次放电,其实放电时间还不到10秒。
但为什么说这次的中国环流器二号M装置首次放电是重要突破呢?关键在于温度。
这一次我们是在1.5亿摄氏度高温下实现首次放电,而1.5亿度高温是可控核聚变的基本门槛,其实现难度比4年前的5000万摄氏度要难得多。
所以才是一次重要突破。
那么很多人也在关心,我们这次突破后,距离真正商业化可控核聚变还有多远?
答案是还非常远。
比如说最关键的约束时间,目前我们该装置的约束时间是10秒左右,而要实现可控核聚变的最低门槛要求至少得3000秒,还差很远。
除此之外,其实国际可控核聚变项目最难的还是在材料上。
虽然科学家们想出通过磁场约束高温等离子体的方式,来降低材料的压力,但问题是整个核聚变反应堆仍然还是需要有材料作为承载体,即使这样的承载体不需要承受上亿度这样的极限高温,但等离子体破灭的一瞬间所产生的高温,仍然还是会对反应堆内壁造成巨大冲击。
而目前世界上仍然研发不出能够承受这样高温冲击的材料。
所以核聚变最大的瓶颈仍然还是在材料问题上。
这也是为什么,我在这两天量子计算机有实际突破后会这么兴奋的原因。
因为量子计算机本身就是特别契合搞材料研发上,因为材料研发本身就是一个需要大量“试错”的领域,而量子计算机最善于在这种需要试错大量模拟的领域去发挥作用。
所以基本也可以说,要实现可控核聚变的前置科技,就是得实现量子计算机,有了量子计算机就能用其恐怖的计算力去模拟研发材料,从而给可控核聚变带来材料瓶颈突破的希望。
因此,对于我们这次可控核聚变的突破,我们应该感到欣喜鼓舞,但也要客观冷静看到距离真正目标实现还有比较遥远的距离。
不过至少,我们的可控核聚变技术水平,仍然还是走在世界前列。
目前世界上除了ITER作为国际主流项目,其实世界其他大国也都有自己的托卡马克项目。
比如英国的可控核聚变装置“能源生产球形托卡马克”(STEP)也是最近刚启动,在接下来的5年中将投入2.22亿英镑用于设计开发,但英国这个托卡马克项目要到2032年10开始建设。
可见这个进度比起我们来说还是差了不少。
其实当前我国在一些下一代关键的高科技领域,一直都是花最大力气去研发,所以整体都是处于领先水平。
比如说太阳能,世界上80%的光伏材料、组件都是由中国制造。
再比如说新能源汽车动力电池,我国的研发水平和商用水平也是世界领先水平。
其他航天领域,今天嫦娥5号完成对接,这是人类44年来首次再一次从月球带回土壤样本。
从量子计算机,再到可控核聚变,这些有望引领下一次科技革命的关键领域,我们也是一直走在世界前列。
这都是我们未来的希望。
我们科技兴国,并不只是嘴巴上说说的,而是在脚踏实地去做的。
我们不能妄自菲薄,也不能盲目乐观,只有脚踏实地的去努力研发,坚持独立自主,自力更生,这才是科技兴国之路。
加油!
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