人造太陽丨解讀之一：什么是“人造太陽”？

什么是“人造太陽”

太陽幾十億年來源源不斷以光和熱的形式向外輻射能量，據(jù)估算太陽每秒向地球輸送的能量相當于1.5億億度電，這些能量維持著地球上的水循環(huán)、大氣循環(huán)、植物光合作用等自然現(xiàn)象。太陽巨大的能量來自于核心區(qū)域持續(xù)的核聚變反應，在太陽中心約五分之一半徑的核心區(qū)域，每秒大約有3.6×1038個氫原子核發(fā)生聚變反應，虧損的質(zhì)量高達430萬噸，產(chǎn)生無比驚人的能量，如下圖所示。

太陽能量來自于日核區(qū)的持續(xù)核聚變反應

如果我們可以研制一類裝置去實現(xiàn)可控聚變反應，使其像自然界中的太陽一樣實現(xiàn)持續(xù)的聚變反應，就可以源源不斷地產(chǎn)生核聚變能。從而獲得一顆永不落山的“小太陽”，來克服人類日益嚴峻的能源短缺問題，因此這項研究也被形象地稱為“人造太陽”工程。

氘氚聚變反應示意圖

為什么要造“人造太陽”

首先，能源供應面臨挑戰(zhàn)。目前地球上使用的能源仍以煤炭、石油和天然氣為主導，傳統(tǒng)化石能源占比高達83.13%。但化石能源儲量有限，且具有不可再生性，持續(xù)大規(guī)模開發(fā)利用必將導致資源加速枯竭。其次，能源環(huán)境面臨挑戰(zhàn)。化石能源燃燒是溫室氣體排放的主要來源，在碳減排背景下，本世紀末我們需要建造35000座非化石能源電站，是本世紀初能源消耗量的6倍，如下圖所示。

本世紀能源消耗與全球平均溫升變化預測（IPCC 2013）

面對能源供應與環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)，每個國家都在不斷開發(fā)和利用穩(wěn)定可靠的新能源，包括太陽能、風能，也包括核能。相比之下，核聚變能具有三方面優(yōu)點：

第一，效率高。以氘氚聚變?yōu)槔?，一克氘氚聚變?nèi)剂袭a(chǎn)生的能量相當于燃燒8噸汽油。

核聚變反應能量密度高

第二，可持續(xù)。核聚變的主要燃料氘大量存在于海水中，每升海水中含約30毫克氘，完全聚變后釋放能量相當于燃燒340升汽油。而海水中蘊藏約45萬億噸的氘，可供使用數(shù)百億年。

海水蘊藏豐富的核聚變原料—氘

第三，清潔和安全。核聚變產(chǎn)物是氦，無放射性核廢料，具有固有的安全性和清潔性；并且可以在短時間內(nèi)通過熄滅等離子體的方法快速終止核聚變反應，不存在失控的危險。

（圖文：中科院合肥研究院等離子體所副研究員 王騰）