中國離“人造太陽”的夢想更近一步

主持：棉花糖

太陽，這個在中國神話中被稱為“金輪”的宇宙中的神秘天體，已經默默地燃燒了50多億年，沒有太陽就沒有地球上的萬物。如果我們能制造出“太陽”，用它巨大的能量為人類服務，是否能解決未來的能源問題？

今年4月12日21時，我國被稱為“人造太陽”的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創(chuàng)造了一項新的世界紀錄——成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒。這對探索未來的聚變堆前沿物理問題等多個方面具有重要意義。

[什么是“人造太陽”]

太陽為什么會不斷發(fā)光并釋放能量？這其實是核聚變的結果。太陽的直徑比地球大109倍，質量比地球重33萬倍，太陽的巨大質量產生的引力能夠把高溫等離子體約束在一起，發(fā)生核聚變反應，并將核聚變反應持續(xù)下去。

可控核聚變研究裝置的原理和太陽發(fā)光發(fā)熱的原理相同，所以又被稱為“人造太陽”，其中利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器又叫托卡馬克裝置。

[非要“造個太陽”不可嗎]

宇宙中已經有一個太陽了，為什么還非得再“造個太陽”呢？這就需要從能源說起。我們人類從生產到生活，各種活動無一不需要能源，但地球上的能源并不是取之不盡的，比如我們常用的煤、石油、天然氣等化石能源，依照目前地球的儲量，大概只夠人類再用幾十年。除了儲量有限，化石能源還會帶來一個問題——污染環(huán)境。風能、水能雖然干凈，但供量有限，且受自然條件影響大。所以人類不得不千方百計去解決能源不足的問題，但迄今為止，沒有任何一種方式能像我們頭頂這顆太陽那樣無限供應能源且不帶來污染。

于是，在核技術不斷創(chuàng)新的今天，人們對于建設一個類似“太陽”的愿望愈發(fā)強烈。那“人造太陽”為什么就能無限供應能源呢？“人造太陽”產能的原理又是什么？

太陽是利用核聚變反應不斷向地球輸送能源的，“人造太陽”當然也需要借助核技術。核能的釋放過程有兩種：核裂變和核聚變。簡單地說，核裂變是由重的原子核分裂變化為輕的原子核，從而產生巨大的能量；核聚變是將兩個質量輕的原子核“聚合”成為一個重原子核。我們知道能量是守恒的，“消失”的質量會轉變?yōu)榫薮蟮哪芰?，而且能量比核裂變更高?/p>

那核聚變產生的能量到底有多大呢？有個形象且相對準確的說法，是1升海水通過聚變反應產生的能量相當于300升汽油。而且核聚變反應的完美之處在于：反應產物僅為惰性氣體氦，無毒無害；即便運行過程中也可以即關即停，極少產生放射性廢物或不可控負面效果；原料容易獲得，畢竟聚變反應所需元素廣泛地存在于海水中，而地球最不缺的就是海水。

核聚變離我們生活遙遠嗎？一點都不遠。核聚變部分關鍵技術已經被應用到了生活中的方方面面，如醫(yī)用高場核磁共振、軍民兩用高功率微波技術、病菌滅活等，甚至在影視作品中我們也能看到它的身影，如電影《流浪地球》里的行星發(fā)動機就是一個大型核聚變反應堆，它能推著地球“流浪”，且不用擔心半路“拋錨”。

如果核聚變可控制一旦成功，石油短缺、環(huán)境污染問題都將一去不復返，人類將徹底擺脫能源束縛，掌控近乎無限的能源，朝著恒星級文明邁進。所以，在地球上“造個太陽”的回報遠超投入。

[“人造太陽”到底有多難]

從廣義角度而言，“造個太陽”作為科學研究并不難，從20世紀50年代開始，世界上大大小小的“人造太陽”核聚變實驗設備不斷涌現(xiàn)；而從狹義角度來說，人類離最終可真正利用的“人造太陽”還有一定的距離。國際公認的聚變研究步驟是聚變實驗堆→示范堆→商用堆，只有最終的商用堆才是“人造太陽”的終極目標。

問題是，實現(xiàn)“人造太陽”還需要克服很多技術上的難點，如引發(fā)核聚變需要超高溫度（燃料溫度達到1億攝氏度以上），而這樣的高溫要用什么容器去承載也是科學家面臨的一大難題。后來，科學家們發(fā)明了一種環(huán)形裝置，利用磁約束控制等離子體發(fā)熱實現(xiàn)超高溫，這種裝置就叫作托卡馬克裝置。

托卡馬克裝置是一個長得像甜甜圈似的真空腔，外邊包裹著磁線圈，在真空腔內部產生環(huán)形磁場。等離子態(tài)的核聚變燃料就在里面繞圈圈。這樣一來，“人造太陽”就有了完美的“容器”。

但是“人造太陽”裝置反應條件很苛刻：高溫度、高壓力、有限空間的高約束和穩(wěn)定約束時間。以現(xiàn)有的工程技術、材料技術等還有很多條件達不到。而且，人類不僅僅是要造一個“太陽”，更重要的是通過了解“人造太陽”的一切行為習慣，掌握規(guī)律為人類所用，這才是“人造太陽”最難的地方。

[我國的“人造太陽”造得如何]

我國的“人造太陽”建造早在1971年便開始了。坐落于四川樂川的中國環(huán)流器一號（HL-1）裝置是第一個由我國自主設計、自主建造的，國際首個中等規(guī)模的托卡馬克裝置，是我國受控核聚變能源開發(fā)中當之無愧的里程碑，為我國的受控核聚變研究奠定了堅實的基礎。

中國環(huán)流器新一號裝置（HL-1M）是以HL-1裝置為基礎改建而成，是具有特色的、達到國際先進水平的實驗成果，使我國的核聚變實驗研究水平又邁上了一個新臺階。1999年中國環(huán)流器二號A裝置（HL-2A）正式動工建造，2002年12月驗收。借助HL-2A這個新的“聚變利器”，2006年我國已將等離子體電子溫度提升到了5500萬度，標志著中國向聚變裝置點火所需的1億度高溫邁進了一大步。

目前，HL-1、HL-1M、HL-2A裝置服役期已滿，正在服役的是HL-2M裝置。

作為世界聚變研究的重要組成部分，中國環(huán)流器系列裝置的多項成果達到、甚至超過世界水平，每一個數(shù)據(jù)的產生都經過了科研人員長達數(shù)年的準備工作和反復驗證，凝聚了無數(shù)科研人員的夢想與汗水。

“人造太陽”技術實現(xiàn)商業(yè)化還有較長的路要走，但是發(fā)展“人造太陽”技術，不僅是為了解決當前的能源危機，更是為了人類的未來和地球的未來。

我們期待著有一天，“人造太陽”能夠解決能源問題，到那個時候，世界每一個角落都會變得溫暖又明亮！