有望噴薄欲出的中國“人造太陽”

崔金泰

2022年10月19日，傳來振奮人心的好消息：被稱為“人造太陽”的中國新一代可控核聚變實驗裝置（HL-2M）運行獲得突破性進展， 創(chuàng)造出1.5億攝氏度高溫和超過1兆安（100萬安培）的等離子體電流， 已達到核聚變點火要求， 實現(xiàn)核聚變穩(wěn)定運行的必要條件已經(jīng)具備。2023年4月12日，中國“人造太陽” 又創(chuàng)造了新的世界紀錄，成功實現(xiàn)等離子體穩(wěn)定運行403秒，這對提升核聚變能源經(jīng)濟性、可行性，加快實現(xiàn)核聚變發(fā)電具有重大意義。

科學(xué)家為獲得人類最理想的終極能源，數(shù)十年來一直努力模仿太陽上的核聚變反應(yīng)，建造為人類提供清潔能源的裝置，因而核聚變實驗研究裝置被譽為“人造太陽”。處于世界研發(fā)前沿的中國“人造太陽”，將會在人們的期望中釋放出絢麗奪目的光芒！

揭開太陽經(jīng)久不息發(fā)光放熱的奧秘

太陽給地球帶來了光明和溫暖，維持生命活動的各種能源。據(jù)計算，太陽每秒鐘發(fā)出的能量約相當(dāng)于1.3億億噸標準煤燃燒的能量。地球每天接收的太陽能，相當(dāng)于全世界一年所消耗的總能量的200倍。太陽發(fā)光放熱已經(jīng)持續(xù)了約45億年。

也許有人會問，太陽的巨大能量來自哪里？為什么能長期發(fā)光而經(jīng)久不衰呢？

美國科學(xué)家貝特等人終于在1938年揭開了太陽發(fā)光的秘密。原來，太陽的巨大能量由氫而來，但不是氫和氧燃燒時產(chǎn)生的光和熱，而是氫原子核在高溫、高速運動條件下聚合產(chǎn)生的核反應(yīng)放出的。也就是說，太陽內(nèi)部每時每刻都在進行著原子核聚變反應(yīng)，即每4個氫原子核聚合成一個氦原子核，同時釋放出大量的光和熱。這就是通常所說的熱核聚變反應(yīng)。

太陽內(nèi)部不斷進行著這種熱核聚變反應(yīng)，猶如連續(xù)發(fā)生氫彈爆炸一樣，釋放出巨大的能量。這種能量之大，相當(dāng)于1秒鐘內(nèi)爆炸910顆百萬噸級的氫彈（投在日本廣島的原子彈僅為兩萬噸級）。太陽釋放的能量如此之大，主要是因為核聚變反應(yīng)所放出的能量是一般化學(xué)反應(yīng)（如煤或天然氣燃燒）釋放出能量的百萬倍。例如，用氫通過核聚變反應(yīng)合成4克氦所放出的熱量，就同燃燒12噸優(yōu)質(zhì)煤得到的熱量相當(dāng)。而太陽主要是由氫氣組成的，其體積又特別巨大，在它的“肚子”里可以容納130萬個地球。由此可知，太陽里蘊藏著多么豐富的能量！這也正是太陽能經(jīng)久不衰地發(fā)光放熱的秘密所在。

太陽已有了，為何還要建“人造太陽”

說到這里，人們自然會產(chǎn)生疑問，太陽已經(jīng)有了，為什么還要花費巨大的人力、物力和時間去研制“人造太陽”呢？

這是因為世界現(xiàn)有的能源已向人類發(fā)出了挑戰(zhàn)：現(xiàn)在最常用的化石燃料（如煤、石油和天然氣），儲量有限，未來有枯竭的危險，而且還存在一定的環(huán)境污染。綠色新能源如風(fēng)能、太陽能、水能等又受限于天氣或地理條件等的限制，難以滿足人類對能源的長遠需要。至于現(xiàn)在世界各國已建造的許多核電站，它們采用核裂變反應(yīng)發(fā)電，所需要的鈾、钚等核燃料的儲量也不多，還會產(chǎn)生放射性?！叭嗽焯枴辈捎玫氖呛司圩兎磻?yīng)，所需的原材料之一的氘在地球上儲量巨大，幾乎取之不盡、用之不竭，加之核聚變反應(yīng)的產(chǎn)物對環(huán)境友好，沒有危害性，因而核聚變能源被認為是人類最理想的“終極能源”。

“人造太陽”如何為人類提供清潔能源

“人造太陽”就是仿照太陽上核聚變反應(yīng)原理建造的為人類提供清潔而又廉價的電能的裝置。我國建造的“人造太陽”是全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），它是一個控制核聚變反應(yīng)的環(huán)形容器。要想實現(xiàn)核聚變反應(yīng)，造出“小太陽”，首先必須使環(huán)形容器中的氫（實際上是氫的兩種同位素氘、氚）原子核內(nèi)的核子（即質(zhì)子、中子）距離縮小到能使核子間接近核力發(fā)生作用的范圍內(nèi)。但是，由于原子核都帶正電，原子核之間存在著很大的靜電排斥力，要使它們接近核力作用的范圍，就需要讓參與核聚變反應(yīng)的原子核先獲得足夠的動能，即原子核以極大的動能相互間發(fā)生猛烈的碰撞和壓縮，從而形成核聚變反應(yīng)。在軍事上，人們利用核裂變反應(yīng)的原子彈爆炸時產(chǎn)生的高溫和高壓，使氘和氚發(fā)生核聚變反應(yīng)，從而制成威力比原子彈大得多的氫彈。

通常，使原子核獲得強力動能的辦法是，采用強大的電流向核聚變?nèi)剂想碗埃怏w）放電時，就會產(chǎn)生幾千萬甚至上億攝氏度的高溫。在這樣的高溫下，原子核外的電子已經(jīng)完全和原子核脫離，同時使氘、氚分離成帶正電和負電的離子，也就是形成燃燒的等離子體。這些高速、高溫的等離子體相互碰撞并對核聚變裝置的圓環(huán)狀容器壁進行轟擊，從而點火產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。強磁場可使高溫下的帶電離子匯聚成細柱狀而不飛散，以便按需要進行核聚變反應(yīng)，即控制核聚變反應(yīng)的速度。在核聚變反應(yīng)過程中，氘和氚的原子核相互熔化，產(chǎn)生氦和中子。這些高能中子將加熱EAST中的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，從而產(chǎn)生強大的電力。其發(fā)電過程安全，不會產(chǎn)生普通核電站那樣的放射性物質(zhì)。

那么，未來如果“人造太陽”成功運行，能為世界帶來什么改變和益處呢？

科學(xué)家是這樣回答的：首先是能源面臨的挑戰(zhàn)和危機將迎刃而解，能源的價格將非常低廉，一些因能耗限制而難以開展的項目如海水淡化、沙漠治理等，可以大規(guī)模開展，進而帶來生產(chǎn)和生活的巨大進步。其次，“人造太陽”的核聚變產(chǎn)物是氦和中子，不排放有害氣體，由于環(huán)境污染所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)、霧霾和酸雨等將大幅度減輕乃至消除，進而使生態(tài)環(huán)境得到徹底改善。另外，核聚變能源的原料氘可從含量豐富的海水中獲得。1升海水中含有0.03千克氘，這些氘通過核聚變反應(yīng)釋放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒時釋放出的熱能。全球海洋中氘的儲量可達幾十萬噸，足夠人類使用幾十億年，可以一勞永逸地解決能源問題。

蓄勢待發(fā)的中國“人造太陽”將創(chuàng)奇跡

我國“人造太陽”的研制早在20世紀50年代就開始了，幾乎與國際上同步。2006年，我國在合肥自主建成了“人造太陽”實驗裝置，即托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），是全球首創(chuàng)的全超導(dǎo)型裝置，用以探索無限而清潔的核聚變能源。

2011年，我國與世界上30多個國家聯(lián)手打造“人造太陽”，即由30多個國家合建的國際熱核聚變實驗反應(yīng)器。這個實驗反應(yīng)器采用氘、氚核聚變反應(yīng)，其中氘在海水中儲量極為豐富，而氚雖不能自然生成，但可在反應(yīng)堆中通過鋰再生。當(dāng)時的國際熱核聚變實驗反應(yīng)器是有史以來最大的托卡馬克裝置，它能夠產(chǎn)生500兆瓦的電力，與一座火力發(fā)電站的發(fā)電量相當(dāng)，但這種反應(yīng)器不會用來發(fā)電，因為它只是一個大型的物理實驗裝置。

2016年初，我國合肥的“人造太陽”實驗裝置在實驗中創(chuàng)出新紀錄。這個核聚變反應(yīng)器將核燃料的等離子體加熱到近5000萬攝氏度，是太陽中心溫度的3倍多，而且將這一溫度維持了102秒，使極端高溫持續(xù)時間從原來的20秒提高了5倍。與此同時，歐洲和日本科學(xué)家雖然也成功達到中國團隊所達到的溫度，但他們的高溫?zé)o法持續(xù)超過1分鐘，因為他們擔(dān)心會導(dǎo)致反應(yīng)堆熔毀。

2021年5月，中國的“人造太陽”團隊又實現(xiàn)了新的里程碑。位于合肥的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝度101秒等離子體運行，而且還實現(xiàn)了1.6億攝氏度20秒等離子體運行。2021年12月30日，合肥的實驗裝置又實現(xiàn)了1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。這種千秒等離子體運行時間的實現(xiàn)，為未來建造穩(wěn)態(tài)的核聚變工程帶來了希望。

新一代中國“人造太陽”即“中國環(huán)流器二號M”（HL-2M）新型托卡馬克核聚變實驗裝置，已于2020年在成都投入運行，并開展相關(guān)的科學(xué)實險。

HL-2M裝置是我國早期的托卡馬克核聚變實驗裝置HL-2A的改進升級版，它采用了更先進的結(jié)構(gòu)與控制方式，等離子體溫度有望超過2億攝氏度。它將為我國參與國際熱核聚變實驗反應(yīng)器的相關(guān)實驗與運行，以及未來自主設(shè)計建造新型核聚變反應(yīng)器提供重要技術(shù)支撐。

令人們驚喜的是，2022年10月19日，中國新一代“人造太陽”的研制實驗又獲得關(guān)鍵性的突破，托卡馬克核聚變裝置的核心參數(shù)即等離子體電流已達到100萬安培（1兆安），創(chuàng)造了中國核聚變實驗裝置運行的新紀錄。這標志著中國“人造太陽”向核聚變點火邁進了重要的一步！

未來的托卡馬克核聚變裝置必須在兆安級電流下穩(wěn)定運行。中國HL-2M裝置的等離子體電流能力可以達到2.5兆安以上，這意味著該裝置未來可以在超過1兆安的電流下常規(guī)運行，從而為進一步實驗研究創(chuàng)造了有利條件。

目前，中國“人造太陽”實驗裝置已經(jīng)具備1兆安的等離子體電流、1億攝氏度的高溫等離子體、1000秒的連續(xù)運行時間這三個獲得核聚變能源的必要條件。顯然，中國“人造太陽”的研制已位于世界的最前列，而且其研制機構(gòu)承諾將參與安裝國際熱核聚變實驗反應(yīng)器的核心裝備，并提供更多的相關(guān)信息。人們期待著中國“人造太陽”在不遠的將來噴放出耀眼的“陽光”！

【責(zé)任編輯】蒲 暉