大國(guó)重器，我國(guó)的“人造太陽(yáng)”世界領(lǐng)先

| 什么是人造太陽(yáng)？

所謂“人造太陽(yáng)”，即先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，也即國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(ITER)建設(shè)工程，是當(dāng)今世界迄今為止最大的熱核聚變實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，旨在在地球上模擬太陽(yáng)的核聚變，利用熱核聚變?yōu)槿祟愄峁┣鍧嵞茉?。核聚變以氘氚為燃料，具有安全、潔凈、資源無(wú)限3大優(yōu)點(diǎn)，是最終解決全人類能源問題的戰(zhàn)略新能源。

人造太陽(yáng)是可控核聚變的俗稱，因?yàn)樘?yáng)的原理就是核聚變反應(yīng)。(核聚變反應(yīng)主要借助氫同位素。人們認(rèn)識(shí)熱核聚變是從氫彈爆炸開始的?？茖W(xué)家們希望發(fā)明一種裝置，可以有效控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出，并把這類裝置比喻為“人造太陽(yáng)”。全名為“全超導(dǎo)托卡馬克試驗(yàn)裝置”。(托卡馬克是“磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。這是一個(gè)由封閉磁場(chǎng)組成的“容器”，像一個(gè)中空的面包圈，可用來(lái)約束電離子的等離子體）。

| 人造太陽(yáng)的起源

100年前，愛因斯坦預(yù)見了在原子核中蘊(yùn)藏著巨大的能量。依據(jù)他提出的質(zhì)能方程E=mc2，兩個(gè)輕核在一定條件下聚合成一個(gè)較重核，但反應(yīng)后質(zhì)量有一定虧損，將釋放出巨大的能量。1939年，美國(guó)物理學(xué)家貝特證實(shí)，一個(gè)氘原子核和一個(gè)氚原子核碰撞，結(jié)合成一個(gè)氦原子核，并釋放出一個(gè)中子和17.6兆電子伏特的能量。這個(gè)發(fā)現(xiàn)揭示了太陽(yáng)“燃燒”的奧秘。 1952年，當(dāng)?shù)谝活w氫彈爆炸之后，人類制造核聚變反應(yīng)成為現(xiàn)實(shí)，但那只是不可控制的瞬間爆炸。從那個(gè)時(shí)候開始，科學(xué)家們一直在尋找途徑，把氫彈爆炸在某個(gè)試驗(yàn)裝置上面加以控制地讓它發(fā)生，然后源源不斷地取出它的核聚變能。

在上世紀(jì)70年代，人們對(duì)約束磁場(chǎng)研究有了重大進(jìn)展，通過改變約束磁場(chǎng)的分布和位形，解決了等離子體粒子的側(cè)向漂移問題。世界范圍內(nèi)掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國(guó)、歐洲、日本、蘇聯(lián)建造了四個(gè)大型托卡馬克，它們后來(lái)在磁約束聚變研究中做出了決定性的貢獻(xiàn)。

| 人造太陽(yáng)的意義

太陽(yáng)是地球最大的能量來(lái)源，它的表面溫度約6000攝氏度，內(nèi)核溫度約1500萬(wàn)攝氏度，像一個(gè)熊熊燃燒的大火球，每秒鐘可散發(fā)出相當(dāng)于1億億噸煤炭完全燃燒產(chǎn)生的能量。太陽(yáng)能產(chǎn)生這么大的能量，是因其內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)。而支撐這種聚變反應(yīng)的主要原材料氘，在地球上的儲(chǔ)量極其豐富。 氫原子最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是其同位素氘與氚的聚變。而劇變后的產(chǎn)物“氦”是非常清潔的，沒有碳排放，沒有放射性廢料，也不會(huì)出現(xiàn)燃料棒熔斷的災(zāi)難，比風(fēng)能和太陽(yáng)能穩(wěn)定，被認(rèn)為是一種理想的“終極能源”。地球上每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油。據(jù)測(cè)算，海洋中蘊(yùn)藏著約40萬(wàn)億噸氘，理論上用于聚變反應(yīng)釋放的能量足夠人類使用上百億年。

一旦“人造太陽(yáng)”成功運(yùn)行，帶給世界的變化將是革命性的。各國(guó)之間再也不用為中東的石油而發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)。沒了石油、煤礦開采帶來(lái)的污染，二氧化碳的溫室效應(yīng)、南極冰面的萎縮、海岸線的增高等等一系列現(xiàn)在人類頭疼的問題都會(huì)消失。它將給人類帶來(lái)無(wú)限清潔的能源，就像太陽(yáng)給我們的一樣。

| “人造太陽(yáng)”運(yùn)行原理

“人造太陽(yáng)”通過將兩個(gè)質(zhì)量較輕的原子融合為一個(gè)質(zhì)量較重的原子產(chǎn)生大量能量。但原子之間天然存在斥力，想將兩個(gè)原子融為一體需要施加極高的溫度和巨大的壓力，實(shí)驗(yàn)中核燃料的最高溫度達(dá)到了1.3億℃，壓力高達(dá)100個(gè)大氣壓，地球上還沒有任何一種物質(zhì)可以承受如此惡劣的條件。 科學(xué)家們通過用磁場(chǎng)間接控制的方式解決了這一問題，為了誘發(fā)可控核聚變，“人造太陽(yáng)”內(nèi)部安裝了一個(gè)巨型超導(dǎo)磁鐵，通電后可以產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，類似磁懸浮技術(shù)，讓人造太陽(yáng)可以不接觸任何設(shè)備釋放能量。在核燃料進(jìn)入裝置內(nèi)部后，科學(xué)家會(huì)對(duì)核燃料通電加熱，在它們的內(nèi)部產(chǎn)生電流，隨后超導(dǎo)磁鐵就可以利用磁場(chǎng)與核燃料的電磁相互作用將燃料限制在裝置中心，不讓它與裝置本身接觸，因此高溫并不會(huì)影響到該裝置的運(yùn)行，克服了裝置的不穩(wěn)定性。

在實(shí)驗(yàn)中，聚變反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)被不斷發(fā)現(xiàn)——它產(chǎn)生的能量是核裂變的7倍，反應(yīng)產(chǎn)物是無(wú)放射性污染的氦。更完美的是，未來(lái)的聚變電站會(huì)始終處于次臨界安全運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)意外，反應(yīng)會(huì)自動(dòng)停止，不會(huì)發(fā)生像切爾諾貝利和福島那樣的核泄漏事故。

| 我國(guó)的“人造太陽(yáng)”

中科院合肥研究院EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置成功造出了一個(gè)壽命1000秒的“人造太陽(yáng)”，用國(guó)產(chǎn)的托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了時(shí)長(zhǎng)達(dá)1000秒的聚變放電，刷新了此前西方保持的400秒世界紀(jì)錄，最高溫度高達(dá)1.6億攝氏度，標(biāo)志著中國(guó)在可控核聚變研究領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)巨大突破。EAST被稱之為東方超環(huán)，是目前世界上唯一投入運(yùn)行并擁有類似于即將建設(shè)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)而采用全超導(dǎo)磁體的托卡馬克裝置。 1994年，我國(guó)第一個(gè)圓截面超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“合肥超環(huán)”（HT-7）研制成功，這次創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄的主角EAST則是在“合肥超環(huán)”基礎(chǔ)上，由我國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)的世界上第一個(gè)全超導(dǎo)磁體、非圓截面托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，主體部分高11米、直徑8米、重400多噸。由真空室、縱場(chǎng)線圈、極向場(chǎng)線圈、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統(tǒng)等六大部件組成，四周布滿了大大小小的輔助加熱、診斷、抽氣和冷卻裝置，零件數(shù)量相當(dāng)于5架波音777飛機(jī)的零件總和。而且擁有“超燃”內(nèi)核：超高溫、超低溫、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超大電流等極端環(huán)境“熔于一爐”。

為了實(shí)現(xiàn)1億攝氏度以上的高溫，科學(xué)家們采用了微波、中性束等多種加熱手段。家用微波爐的功率是500瓦左右，而EAST總功率有34兆瓦，相當(dāng)于約6.8萬(wàn)臺(tái)家用微波爐一起加熱?？茖W(xué)家們用磁場(chǎng)做成“籠子”，把那團(tuán)上億度的火球懸浮起來(lái)，使所有電離了的等離子體只能沿著磁力線運(yùn)動(dòng)，不讓它與周邊的任何容器材料接觸，從而保護(hù)裝置材料不被燒毀。EAST由16個(gè)縱場(chǎng)線圈、14個(gè)極向場(chǎng)線圈構(gòu)成，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度是地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的近7萬(wàn)倍。

為了達(dá)到強(qiáng)磁場(chǎng)，“人造太陽(yáng)”還需要超過12000安培的超大電流，強(qiáng)度是普通家用空調(diào)的數(shù)千倍，而承載大電流的線圈工作在零下269攝氏度的超低溫度，就在距離1億攝氏度高溫約1米遠(yuǎn)的地方，上演了現(xiàn)實(shí)版的“冰火兩重天”。“這就需要實(shí)現(xiàn)地表大氣壓約一千億分之一強(qiáng)度的‘超高真空’來(lái)‘隔熱’?！笨蒲腥藛T介紹說(shuō)。

| “人造太陽(yáng)”的前景

那么可控核聚變發(fā)電技術(shù)什么時(shí)候才能成熟呢？其實(shí)要想讓可控核聚變發(fā)電具備商業(yè)運(yùn)用價(jià)值還需要進(jìn)一步延長(zhǎng)聚變時(shí)長(zhǎng)，至少要提升到3000秒以上才能把聚變發(fā)電的成本降低到可以商業(yè)化的范圍，中國(guó)科學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始研究這一方面的技術(shù)，爭(zhēng)取通過改進(jìn)現(xiàn)有的托卡馬克裝置將聚變時(shí)長(zhǎng)提升到3000秒，同時(shí)中國(guó)已經(jīng)開始了第1代可控核聚變發(fā)電站的工程設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)在2035年開工建造人類史上的第1座可控核聚變發(fā)電站，2050年前建成并投產(chǎn)發(fā)電。 一旦可控核聚變發(fā)電技術(shù)獲得突破，人類就將獲得幾乎無(wú)限的能量來(lái)源，不僅再也不需要擔(dān)心能源緊缺和環(huán)保問題，甚至還可以用這一技術(shù)建造星際飛船，開啟人類的大航天時(shí)代，我國(guó)現(xiàn)在是這一領(lǐng)域內(nèi)實(shí)力領(lǐng)先的國(guó)家，希望我國(guó)科學(xué)家未來(lái)能做出更多成就。

（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）