人造太阳PPT

就算没有考虑过在南极放一个太阳，将会导致冰川融化，全世界的沿海地区被淹没，也没考虑过多个太阳的引力会导致地球运行轨迹完全无法预测，让我们面临三体星人的困境...

就算没有考虑过在南极放一个太阳，将会导致冰川融化，全世界的沿海地区被淹没，也没考虑过多个太阳的引力会导致地球运行轨迹完全无法预测，让我们面临三体星人的困境，只要听说过后羿射日的传说就应该知道：随便乱种的话地球有可能在你反应过来之前就已经毁灭了 ○ 南极企鹅拒绝种太阳的“善举”毕竟天上挂着的那个太阳，直径是地球的109倍，体积是地球的130万倍，质量是地球的33万倍，表面温度6000℃，核心温度1500万℃。○ 太阳和地球的大小比较所以就算要种个太阳也不是挖个坑埋上再浇浇水那么简单那么，“人造太阳”究竟是怎么“种”出来的？又是为什么要种它？在回答这些严肃的问题之前，我们需要先了解一下太阳到底是什么，太阳是靠什么发光发热的。太阳发光发热靠的是核聚变。简单来说，就是几个氢原子核融合在一起，变成氦原子核，释放大量能量。人造太阳正是因为以类似于太阳的核聚变反应为能源而得名。核聚变到底有多厉害让我们听听斯塔克工业公司总裁，人称“钢铁侠”的托尼·斯塔克先生是怎么说的：是的，嵌在钢铁侠胸前为他供能的方舟反应堆正是利用核聚变产生能量的。用了核聚变能源之后，上个天呀，跟神仙掐个架呀，拯救个世界呀什么的都不是事。虽然钢铁侠是虚构的，但是在当今人类能想到的范围内，用核聚变作为能源确实是钢铁侠唯一合理的选择了。首先，核燃料的能量密度大，同等质量放出的能量是石油的几百万倍。也就是说，同样是上天打架，战斗机要装上几吨的油，而钢铁侠只需要一个巴掌大的反应堆。作为超级英雄，钢铁侠自然要用核能。人类利用核能主要有两种方式：核裂变和核聚变（人类分别用它们造出了原子弹和氢弹），从能量密度上看，二者相差不多（后者是前者的4倍，聚变还是更厉害一点的），而且核裂变已经为人类所控制，在核电站里广泛应用，答案是，核裂变会产生放射性核废料，核废料一旦泄漏，所到之处上万年寸草不生，这种东西就算是超级英雄也不敢装在自己身上的好吧。而核聚变不会产生放射性核废料，也不产生其他污染物，是一种清洁能源（虽然反应发生的时候会有有害辐射放出，但是不会存留。但愿钢铁侠有足够好的防护措施）。另外，核聚变燃料（重氢、超重氢）可以从海水中提取，够人类用几百亿年。如果人类能用核聚变发电，就再也不用担心能源问题了。到时候我们担心的可能就是天上有太多钢铁侠在飞，购买钢铁侠盔甲如何摇号，尾号限行如何执行，发生了空中交通事故如何认定责任……好了该醒醒了核聚变这么靠谱为什么没有广泛应用因为核聚变发生的条件很苛刻，几千万、上亿度的高温是最基本的条件。在这样高的温度下，物质已经不再是融化或气化那么简单了，就连原子核和电子都被分开，各自乱飞，以等离子体（固、液、气之外的第四种物态，在此处可以理解为“炽热的、导电的气体”）的形式存在。没有任何材料的容器能够完好无损地容纳如此高温的等离子体，而如果没有容器容纳，以等离子体形式存在的核聚变燃料自然会四散而逃，温度也损失殆尽，又怎么能发生核聚变呢？真正的太阳不需要容器因为太阳有足够大的质量，单靠万有引力就把组成自身的核聚变燃料束缚在一起，顺便在核心处压缩到水的密度的150倍，并产生1500万度的高温，保证了核聚变反应的持续进行。这种实现核聚变的方法叫做“重力约束”。当然，这在地球上是不可能实现的。另一种实现核聚变的思路是依靠外力产生瞬间的高温高压，让核聚变反应发生，并且借助物质的惯性，让核燃料在散开之前反应完成。氢弹爆炸就是由原子弹爆炸产生的瞬间高温高压引发的大量核聚变反应。○ 氢弹爆炸氢弹是目前人类实现并应用核聚变的唯一可能方式，只是破坏力太大，没法控制，更没法用来发电。为了能够可控，把核燃料减少到比米粒还小的一个小球，用四面八方射来的高能激光代替原子弹爆炸制造瞬间的高温高压，引发核聚变，这种方法叫做“惯性约束”，可是由于激光的功率还远远达不到要求，实现起来还遥遥无期。下面是目前最有希望实现可控核聚变的方法，也是中国“人造太阳”采用的方法由于高温的核聚变燃料以等离子体也就是带电粒子（带正电的氢原子核和带负电的电子）的形式存在，而带电粒子会在磁场中偏转，从而被磁场“拴住”。用磁场就可以让高温的等离子体悬在空中，不与容器壁接触。这种用磁场“拴住”高温等离子体来实现可控核聚变的方法叫做：20世纪50年代，苏联的科学家率先开始尝试用一种名叫“托卡马克”（来自俄文的一个缩写词，意为“带磁线圈的环形腔”）的装置来实现磁约束核聚变。简而言之，托卡马克是一个甜甜圈形的真空腔，外边包裹着磁线圈，在真空腔内部产生环形磁场。等离子态的核聚变燃料就在里面绕圈圈。这样一来，“人造太阳”的“容器”问题就有了解决方案。有了容器，要想实现核聚变发电，还必须要同时满足以下3个条件： 束缚住足够多的粒子，达到足够的密度 达到足够高的温度 不能让热量轻易地流失掉只有这3个条件同时达到，才能做到用核聚变自己产生的热量来维持核聚变所需的高温，达到“收支平衡”，让反应持续地进行下去，然而世界各国现有的装置都还无法同时达到上述3个条件，在现阶段，研究人员还只能通过外界的能量输入来实现高温，以测试装置的各方面性能。中国人造太阳的真名叫“EAST”，是英文“Experimental Advanced Superconducting Tokamak”的缩写，意为“先进实验超导托卡马克”，同时英文“EAST”又是“东方”的意思，所以又被称为“东方超环”。 EAST的主体部分像一个罐子，高11米，直径8米。那个甜甜圈形的真空腔就藏在里面，但是它的截面并不是圆形，而是一瓣橘子的形状，这种形状的真空腔更有利于磁约束的稳定。EAST和ITER结构类似，可以姑且认为这个是EAST的内部结构图，是不是很炫酷？ITER的大小是EAST的4倍，但是还没有建成，而EAST的实验结果为ITER起到了重要的指导作用真空腔的内壁是面向等离子体的部分，虽然不与高温的等离子体“直接接触”，但是依然要承受大量的热量和粒子轰击，对其材料和工艺提出极为严苛的要求。在粒子轰击下，它的材料要保证既不释放杂质污染燃料，也不吸收燃料造成燃料的损失。为了解决散热的问题，真空腔内壁之下嵌有冷却水管，用水流带走热量，但材料本身也要有很好的导热性。环形真空腔底部有一个奇怪的沟槽，名叫“偏滤器”，作用是把核聚变反应生成的氦以及燃料中混入的杂质滤出并吸收掉，减少燃料污染以及容器壁承受热量和粒子轰击的负担。EAST用熔点最高的金属——钨，作为偏滤器的材料。○ 图中深蓝色部分为偏滤器包覆在真空腔外面的不是电线，而是超导磁体，只有超导磁体才能产生足够大的磁场，从而在高温下把等离子体束缚得足够牢固。○ 图中浅蓝色部分为超导磁体而超导磁体必须工作在零下269度的低温中，也就是只比绝对零度高4度，所以整个装置都是包裹在一个巨大的超低温冷却系统里的。○ 图中绿色部分为冷却系统想想看，真空腔里面是1亿度的等离子体，外面是接近绝对零度的超导磁体，这是多么可怕的技术才能实现的。EAST运行的时候，首先要将真空腔里的空气和杂质全部抽走，达到超高真空。然后注入气态的核聚变燃料。磁场在真空腔内感应出巨大的电流，将气态核聚变燃料电离成等离子体的同时加热到比较高的温度。等离子体在磁场的约束下在环形真空腔里疯狂绕圈，但温度还远远达不到核聚变的要求，仍需要额外的加热方式。EAST主要采用“射频波加热”，其原理类似于微波炉，但功率是家用微波炉的10000倍。下面是演示EAST运行过程的动图（以下动图来自ITER）：○ 真空腔抽真空○ 核聚变燃料注入○ 用电流将核聚变燃料电离○ 继续加热，核聚变发生中国的人造太阳EAST自2006年建成以来，一直处在磁约束核聚变技术的前列。其最突出的成就是2017年实现了101.2秒的长时间运行，以及今年实现了1亿度的高温。而EAST的目标是要在等离子体中产生100万安培的电流，温度达到1亿度，并且持续运行长达1000秒。如果EAST的目标实现，实现核聚变发电的终极目标就离我们更近了一步。但是要想真正达到这个终极目标，还需要科学家们根据现有的经验，建造更大更先进的实验装置。为此中国已经开始研发下一代核聚变装置，有望在未来几年启动。专家表示，有了新一代核聚变装置以后，核聚变有望在未来50到60年内实现商用化。从世界上第一台托卡马克建成到现在已经是60年了，可以说可控核聚变的研究才刚刚过半。为了实现核聚变发电，为人类社会谋求更大的福祉，现在和未来的科学家们还任重而道远啊。