離“人造太陽(yáng)”更近一步

■小 花/整理

前不久，中國(guó)、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯、美國(guó)等30多個(gè)國(guó)家共同參與的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）計(jì)劃啟動(dòng)主體安裝工作，標(biāo)志著人類距離“人造太陽(yáng)”的夢(mèng)想又近了一步。

“人造太陽(yáng)”是什么？已經(jīng)有了一個(gè)太陽(yáng)，為什么還要再造一個(gè)太陽(yáng)？要說清這些問題，需要從能源說起。

人類從生產(chǎn)到生活，無(wú)一不需要能源。但地球上的能源并非取之不盡，比如煤、石油等化石能源大概只能用幾十年。除了儲(chǔ)量有限，化石能源還有一個(gè)問題，就是污染環(huán)境。風(fēng)能、水能雖然干凈，但供應(yīng)量有限，且受自然條件影響大。

圖1 國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）裝置與祈年殿大小對(duì)比圖（圖/中核集團(tuán)西物院）

人類千方百計(jì)地想解決能源不足的問題，但迄今為止，沒有任何一種方式能像太陽(yáng)那樣無(wú)限供應(yīng)能源且不帶來(lái)污染。于是在核技術(shù)不斷創(chuàng)新的今天，人們對(duì)建設(shè)一個(gè)“人造太陽(yáng)”的愿望愈發(fā)強(qiáng)烈。

“人造太陽(yáng)”的產(chǎn)能原理

太陽(yáng)是利用核聚變反應(yīng)不斷向地球輸送能源，“人造太陽(yáng)”當(dāng)然也需要借助核技術(shù)。而這種核技術(shù)又分為核裂變和核聚變兩種方式。

核裂變是由重的原子核分裂變化為輕的原子核，從而產(chǎn)生巨大的能量。核聚變是將兩個(gè)質(zhì)量輕的原子核“聚合”成一個(gè)重原子核，其反應(yīng)的完美之處在于：反應(yīng)產(chǎn)物僅為惰性氣體氦，無(wú)毒無(wú)害；在運(yùn)行過程中可以即關(guān)即停，極少產(chǎn)生放射性廢物或其他不可控的負(fù)面效果；原料容易獲得。

核聚變部分關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到生活中的方方面面，如醫(yī)用高場(chǎng)核磁共振、軍民兩用高功率微波技術(shù)、病菌滅活等，甚至很多科幻電影中都常有它們的身影。如《復(fù)仇者聯(lián)盟》中鋼鐵俠胸口的能量方舟反應(yīng)堆，從科幻角度去理解，可以看作是“人造太陽(yáng)”發(fā)電站的濃縮版。

“人造太陽(yáng)”有多難

從廣義角度而言，作為科學(xué)研究，“造個(gè)太陽(yáng)”并不難。從20世紀(jì)50年代開始，世界上大大小小的“人造太陽(yáng)”核聚變實(shí)驗(yàn)設(shè)備不斷涌現(xiàn)。但從狹義角度而言，人類離最終能真正利用“人造太陽(yáng)”還有一定的距離。

這是因?yàn)椋叭嗽焯?yáng)”裝置的反應(yīng)條件很苛刻：高溫度、高壓力、有限空間內(nèi)的高約束和穩(wěn)定約束時(shí)間等。以現(xiàn)有工程、材料技術(shù)等，還有很多條件達(dá)不到。而且，人們不僅僅是要“造一個(gè)太陽(yáng)”，更重要的是了解“人造太陽(yáng)”的“行為習(xí)慣”，掌握其規(guī)律并為人類所用，這才是“人造太陽(yáng)”最難的地方。

中國(guó)的“人造太陽(yáng)”

在世界多國(guó)開展可控核聚變研究的同時(shí)，中國(guó)“人造太陽(yáng)”的建設(shè)也沒有掉隊(duì)。

1984年，中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1）建成，它是中國(guó)可控核聚變領(lǐng)域第一座大型科學(xué)工程裝置，也是中國(guó)核聚變研究史上的重要里程碑。從此，中國(guó)在核聚變領(lǐng)域的研究一步步壯大：1995年，中國(guó)第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7在合肥建成；2002年，中國(guó)建成第一個(gè)具有偏濾器位形的托卡馬克裝置——中國(guó)環(huán)流器二號(hào)（HL-2A）；2006年，世界上第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置東方超環(huán)（EAST）首次等離子體放電成功……

圖2 中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1）裝置（圖/中核集團(tuán)西物院）

2020年投入運(yùn)行的“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”（HL-2M）裝置成為我國(guó)規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束可控核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置，由于HL-2M裝置采用了更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，其等離子體體積為我國(guó)現(xiàn)有裝置的2倍以上，離子溫度達(dá)到1億攝氏度以上，可將電流從我國(guó)現(xiàn)有裝置的1兆安培提高到2.5兆安培以上。它將為我國(guó)培養(yǎng)聚變堆實(shí)驗(yàn)運(yùn)行人才及自主設(shè)計(jì)、建造未來(lái)聚變堆提供重要技術(shù)支撐。

作為世界聚變研究的重要組成部分，中國(guó)環(huán)流器系列裝置多項(xiàng)成果達(dá)到世界水平，每一個(gè)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生都經(jīng)過了科研人員長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的準(zhǔn)備工作和反復(fù)驗(yàn)證，凝聚了無(wú)數(shù)科研人員的汗水，隨著一個(gè)個(gè)難點(diǎn)被突破，人類離“人造太陽(yáng)”的夢(mèng)想越來(lái)越近。