当前时讯：大国重器，我国的“人造太阳”世界领先

2023-03-04 09:04:22 来源：科普中国

| 什么是人造太阳？

所谓“人造太阳”，即先进超导托卡马克实验装置，也即国际热核聚变实验堆计划(ITER)建设工程，是当今世界迄今为止最大的热核聚变实验项目，旨在在地球上模拟太阳的核聚变，利用热核聚变为人类提供清洁能源。核聚变以氘氚为燃料，具有安全、洁净、资源无限3大优点，是最终解决全人类能源问题的战略新能源。

(相关资料图)

人造太阳是可控核聚变的俗称，因为太阳的原理就是核聚变反应。(核聚变反应主要借助氢同位素。人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置，可以有效控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出，并把这类装置比喻为“人造太阳”。全名为“全超导托卡马克试验装置”。(托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写，又称环流器。这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离子的等离子体）。

| 人造太阳的起源

100年前，爱因斯坦预见了在原子核中蕴藏着巨大的能量。依据他提出的质能方程E=mc2，两个轻核在一定条件下聚合成一个较重核，但反应后质量有一定亏损，将释放出巨大的能量。1939年，美国物理学家贝特证实，一个氘原子核和一个氚原子核碰撞，结合成一个氦原子核，并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现揭示了太阳“燃烧”的奥秘。 1952年，当第一颗氢弹爆炸之后，人类制造核聚变反应成为现实，但那只是不可控制的瞬间爆炸。从那个时候开始，科学家们一直在寻找途径，把氢弹爆炸在某个试验装置上面加以控制地让它发生，然后源源不断地取出它的核聚变能。

在上世纪70年代，人们对约束磁场研究有了重大进展，通过改变约束磁场的分布和位形，解决了等离子体粒子的侧向漂移问题。世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美国、欧洲、日本、苏联建造了四个大型托卡马克，它们后来在磁约束聚变研究中做出了决定性的贡献。

| 人造太阳的意义

太阳是地球最大的能量来源，它的表面温度约6000摄氏度，内核温度约1500万摄氏度，像一个熊熊燃烧的大火球，每秒钟可散发出相当于1亿亿吨煤炭完全燃烧产生的能量。太阳能产生这么大的能量，是因其内部持续不断的核聚变反应。而支撑这种聚变反应的主要原材料氘，在地球上的储量极其丰富。氢原子最容易实现的聚变反应是其同位素氘与氚的聚变。而剧变后的产物“氦”是非常清洁的，没有碳排放，没有放射性废料，也不会出现燃料棒熔断的灾难，比风能和太阳能稳定，被认为是一种理想的“终极能源”。地球上每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。据测算，海洋中蕴藏着约40万亿吨氘，理论上用于聚变反应释放的能量足够人类使用上百亿年。

一旦“人造太阳”成功运行，带给世界的变化将是革命性的。各国之间再也不用为中东的石油而发生战争。没了石油、煤矿开采带来的污染，二氧化碳的温室效应、南极冰面的萎缩、海岸线的增高等等一系列现在人类头疼的问题都会消失。它将给人类带来无限清洁的能源，就像太阳给我们的一样。

| “人造太阳”运行原理

“人造太阳”通过将两个质量较轻的原子融合为一个质量较重的原子产生大量能量。但原子之间天然存在斥力，想将两个原子融为一体需要施加极高的温度和巨大的压力，实验中核燃料的最高温度达到了1.3亿℃，压力高达100个大气压，地球上还没有任何一种物质可以承受如此恶劣的条件。科学家们通过用磁场间接控制的方式解决了这一问题，为了诱发可控核聚变，“人造太阳”内部安装了一个巨型超导磁铁，通电后可以产生强大的磁场，类似磁悬浮技术，让人造太阳可以不接触任何设备释放能量。在核燃料进入装置内部后，科学家会对核燃料通电加热，在它们的内部产生电流，随后超导磁铁就可以利用磁场与核燃料的电磁相互作用将燃料限制在装置中心，不让它与装置本身接触，因此高温并不会影响到该装置的运行，克服了装置的不稳定性。

在实验中，聚变反应的优点被不断发现——它产生的能量是核裂变的7倍，反应产物是无放射性污染的氦。更完美的是，未来的聚变电站会始终处于次临界安全运行状态，一旦出现意外，反应会自动停止，不会发生像切尔诺贝利和福岛那样的核泄漏事故。

| 我国的“人造太阳”

中科院合肥研究院EAST全超导托卡马克装置成功造出了一个寿命1000秒的“人造太阳”，用国产的托卡马克聚变实验装置实现了时长达1000秒的聚变放电，刷新了此前西方保持的400秒世界纪录，最高温度高达1.6亿摄氏度，标志着中国在可控核聚变研究领域内实现了一项巨大突破。EAST被称之为东方超环，是目前世界上唯一投入运行并拥有类似于即将建设的国际热核聚变实验堆(ITER)而采用全超导磁体的托卡马克装置。 1994年，我国第一个圆截面超导托卡马克核聚变实验装置“合肥超环”（HT-7）研制成功，这次创造新的世界纪录的主角EAST则是在“合肥超环”基础上，由我国科学家自主研发的世界上第一个全超导磁体、非圆截面托卡马克实验装置，主体部分高11米、直径8米、重400多吨。由真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成，四周布满了大大小小的辅助加热、诊断、抽气和冷却装置，零件数量相当于5架波音777飞机的零件总和。而且拥有“超燃”内核：超高温、超低温、超高真空、超强磁场、超大电流等极端环境“熔于一炉”。

为了实现1亿摄氏度以上的高温，科学家们采用了微波、中性束等多种加热手段。家用微波炉的功率是500瓦左右，而EAST总功率有34兆瓦，相当于约6.8万台家用微波炉一起加热。科学家们用磁场做成“笼子”，把那团上亿度的火球悬浮起来，使所有电离了的等离子体只能沿着磁力线运动，不让它与周边的任何容器材料接触，从而保护装置材料不被烧毁。EAST由16个纵场线圈、14个极向场线圈构成，产生的磁场强度是地球磁场强度的近7万倍。

为了达到强磁场，“人造太阳”还需要超过12000安培的超大电流，强度是普通家用空调的数千倍，而承载大电流的线圈工作在零下269摄氏度的超低温度，就在距离1亿摄氏度高温约1米远的地方，上演了现实版的“冰火两重天”。“这就需要实现地表大气压约一千亿分之一强度的‘超高真空’来‘隔热’。”科研人员介绍说。

| “人造太阳”的前景

那么可控核聚变发电技术什么时候才能成熟呢？其实要想让可控核聚变发电具备商业运用价值还需要进一步延长聚变时长，至少要提升到3000秒以上才能把聚变发电的成本降低到可以商业化的范围，中国科学团队已经开始研究这一方面的技术，争取通过改进现有的托卡马克装置将聚变时长提升到3000秒，同时中国已经开始了第1代可控核聚变发电站的工程设计，预计在2035年开工建造人类史上的第1座可控核聚变发电站，2050年前建成并投产发电。一旦可控核聚变发电技术获得突破，人类就将获得几乎无限的能量来源，不仅再也不需要担心能源紧缺和环保问题，甚至还可以用这一技术建造星际飞船，开启人类的大航天时代，我国现在是这一领域内实力领先的国家，希望我国科学家未来能做出更多成就。

（图片源自网络）

关键词：托卡马克热核聚变科学家们