離“人造太陽”更近一步

■小 花/整理

前不久，中國、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國等30多個國家共同參與的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）計劃啟動主體安裝工作，標志著人類距離“人造太陽”的夢想又近了一步。

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

人類從生產到生活，無一不需要能源。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。除了儲量有限，化石能源還有一個問題，就是污染環境。風能、水能雖然干凈，但供應量有限，且受自然條件影響大。

圖1 國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）裝置與祈年殿大小對比圖（圖/中核集團西物院）

人類千方百計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那樣無限供應能源且不帶來污染。于是在核技術不斷創新的今天，人們對建設一個“人造太陽”的愿望愈發強烈。

“人造太陽”的產能原理

太陽是利用核聚變反應不斷向地球輸送能源，“人造太陽”當然也需要借助核技術。而這種核技術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，從而產生巨大的能量。核聚變是將兩個質量輕的原子核“聚合”成一個重原子核，其反應的完美之處在于：反應產物僅為惰性氣體氦，無毒無害；在運行過程中可以即關即停，極少產生放射性廢物或其他不可控的負面效果；原料容易獲得。

核聚變部分關鍵技術已經被應用到生活中的方方面面，如醫用高場核磁共振、軍民兩用高功率微波技術、病菌滅活等，甚至很多科幻電影中都常有它們的身影。如《復仇者聯盟》中鋼鐵俠胸口的能量方舟反應堆，從科幻角度去理解，可以看作是“人造太陽”發電站的濃縮版。

“人造太陽”有多難

從廣義角度而言，作為科學研究，“造個太陽”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。但從狹義角度而言，人類離最終能真正利用“人造太陽”還有一定的距離。

這是因為，“人造太陽”裝置的反應條件很苛刻：高溫度、高壓力、有限空間內的高約束和穩定約束時間等。以現有工程、材料技術等，還有很多條件達不到。而且，人們不僅僅是要“造一個太陽”，更重要的是了解“人造太陽”的“行為習慣”，掌握其規律并為人類所用，這才是“人造太陽”最難的地方。

中國的“人造太陽”

在世界多國開展可控核聚變研究的同時，中國“人造太陽”的建設也沒有掉隊。

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

圖2 中國環流器一號（HL-1）裝置（圖/中核集團西物院）

2020年投入運行的“中國環流器二號M”（HL-2M）裝置成為我國規模最大、參數最高的磁約束可控核聚變實驗研究裝置，由于HL-2M裝置采用了更先進的結構與控制方式，其等離子體體積為我國現有裝置的2倍以上，離子溫度達到1億攝氏度以上，可將電流從我國現有裝置的1兆安培提高到2.5兆安培以上。它將為我國培養聚變堆實驗運行人才及自主設計、建造未來聚變堆提供重要技術支撐。

作為世界聚變研究的重要組成部分，中國環流器系列裝置多項成果達到世界水平，每一個數據的產生都經過了科研人員長達數年的準備工作和反復驗證，凝聚了無數科研人員的汗水，隨著一個個難點被突破，人類離“人造太陽”的夢想越來越近。