| 什么是人造太陽？

所謂“人造太陽”，即先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，也即國際熱核聚變實(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。

人造太陽是可控核聚變的俗稱，因?yàn)樘柕脑砭褪呛司圩兎磻?yīng)。(核聚變反應(yīng)主要借助氫同位素。人們認(rèn)識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”。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。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離子的等離子體）。

【資料圖】

| 人造太陽的起源

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=mc2，兩個輕核在一定條件下聚合成一個較重核，但反應(yīng)后質(zhì)量有一定虧損，將釋放出巨大的能量。1939年，美國物理學(xué)家貝特證實(shí)，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞，結(jié)合成一個氦原子核，并釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發(fā)現(xiàn)揭示了太陽“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。從那個時候開始，科學(xué)家們一直在尋找途徑，把氫彈爆炸在某個試驗(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，人們對約束磁場研究有了重大進(jìn)展，通過改變約束磁場的分布和位形，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、歐洲、日本、蘇聯(lián)建造了四個大型托卡馬克，它們后來在磁約束聚變研究中做出了決定性的貢獻(xiàn)。

| 人造太陽的意義

太陽是地球最大的能量來源，它的表面溫度約6000攝氏度，內(nèi)核溫度約1500萬攝氏度，像一個熊熊燃燒的大火球，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，也不會出現(xiàn)燃料棒熔斷的災(zāi)難，比風(fēng)能和太陽能穩(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)測算，海洋中蘊(yùn)藏著約40萬億噸氘，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”成功運(yùn)行，帶給世界的變化將是革命性的。各國之間再也不用為中東的石油而發(fā)生戰(zhàn)爭。沒了石油、煤礦開采帶來的污染，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消失。它將給人類帶來無限清潔的能源，就像太陽給我們的一樣。

| “人造太陽”運(yùn)行原理

“人造太陽”通過將兩個質(zhì)量較輕的原子融合為一個質(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”內(nèi)部安裝了一個巨型超導(dǎo)磁鐵，通電后可以產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，類似磁懸浮技術(shù)，讓人造太陽可以不接觸任何設(shè)備釋放能量。在核燃料進(jìn)入裝置內(nèi)部后，科學(xué)家會對核燃料通電加熱，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)物是無放射性污染的氦。更完美的是，未來的聚變電站會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)會自動停止，不會發(fā)生像切爾諾貝利和福島那樣的核泄漏事故。

| 我國的“人造太陽”

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壽命1000秒的“人造太陽”，用國產(chǎn)的托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了時長達(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，我國第一個圓截面超導(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，由我國科學(xué)家自主研發(fā)的世界上第一個全超導(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、縱場線圈、極向場線圈、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、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6.8萬臺家用微波爐一起加熱。科學(xué)家們用磁場做成“籠子”，把那團(tuán)上億度的火球懸浮起來，使所有電離了的等離子體只能沿著磁力線運(yùn)動，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個縱場線圈、14個極向場線圈構(gòu)成，產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度是地球磁場強(qiáng)度的近7萬倍。

為了達(dá)到強(qiáng)磁場，“人造太陽”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”?！斑@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‘隔熱’?！笨蒲腥藛T介紹說。

| “人造太陽”的前景

那么可控核聚變發(fā)電技術(shù)什么時候才能成熟呢？其實(shí)要想讓可控核聚變發(fā)電具備商業(yè)運(yùn)用價值還需要進(jìn)一步延長聚變時長，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，中國科學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始研究這一方面的技術(shù)，爭取通過改進(jìn)現(xiàn)有的托卡馬克裝置將聚變時長提升到3000秒，同時中國已經(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限的能量來源，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代，我國現(xiàn)在是這一領(lǐng)域內(nèi)實(shí)力領(lǐng)先的國家，希望我國科學(xué)家未來能做出更多成就。

（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

標(biāo)簽： 托卡馬克 熱核聚變 科學(xué)家們