1.2億攝氏度“燃燒”101秒，人造太陽何時(shí)成功？

羅宇

掌握了核聚變能，人類將實(shí)現(xiàn)“能源自由”

煤、石油、天然氣，這些人類賴以生存的不可再生能源終有一天將被耗盡。人類面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)。如何從根本上解決這一問題？尋找新能源。

萬物生長靠太陽。可以說，太陽是地球最大的能量來源，它的表面溫度約6000攝氏度，內(nèi)核溫度約1500萬攝氏度，像一個(gè)熊熊燃燒的大火球，每秒鐘可散發(fā)出相當(dāng)于1億億噸煤炭完全燃燒產(chǎn)生的能量。

太陽為什么能產(chǎn)生這么大的能量？因其內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)。而支撐這種聚變反應(yīng)的主要原材料氘，在地球上的儲(chǔ)量極其豐富。

據(jù)測算，從1升海水中提煉出的氘，經(jīng)核聚變反應(yīng)后釋放的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒的能量。而海洋中蘊(yùn)藏著約40萬億噸氘，理論上用于聚變反應(yīng)釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無窮無盡。

由此，模仿太陽聚變反應(yīng)原理造一個(gè)“太陽”，被科學(xué)家們認(rèn)為是解決人類能源危機(jī)的最佳方案。核聚變的原理是由質(zhì)量較小的原子——如氫的同位素氘、氚，在極高溫條件下使核外電子擺脫原子核的束縛，兩個(gè)原子核相互碰撞聚合，生成新的質(zhì)量更重的原子核氦，由于質(zhì)量虧損和質(zhì)能轉(zhuǎn)換，釋放巨大的能量。

“簡單來說，地球上‘最容易實(shí)現(xiàn)的氘氚核聚變反應(yīng)的最終生成物是氦和攜帶能量的中子，而氦是非常清潔的。”這是一種清潔能源，沒有碳排放，沒有放射性廢料，也不會(huì)出現(xiàn)燃料棒熔斷的災(zāi)難，比風(fēng)能和太陽能穩(wěn)定，被認(rèn)為是一種理想的“終極能源”。“一旦掌握了核聚變能，人類將實(shí)現(xiàn)‘能源自由。”

1.2億攝氏度下的等離子體反應(yīng)

現(xiàn)實(shí)中，中國真的有“人造太陽”，近日中國“人造太陽”托卡馬克在1.2億攝氏度下持續(xù)了長達(dá)101秒的等離子體反應(yīng)，創(chuàng)造了核聚變領(lǐng)域的新紀(jì)錄，這一突破可能為碳中和能源的未來鋪平道路。

EAST（實(shí)驗(yàn)先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克）或 HT-7U 是一種定制的聚變反應(yīng)堆，自2006 年以來已分不同階段運(yùn)行。EAST的建造具有十分重大的科學(xué)意義，它不僅是一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克，而且具有會(huì)改善等離子體約束狀況的大拉長非圓截面的等離子體位形，它的建成使我國成為世界上少數(shù)幾個(gè)擁有這種類型超導(dǎo)托卡馬克裝置的國家之一，使我國磁約束核聚變研究進(jìn)入世界前沿。

在裝置建成后的10～15年期間，能在裝置上對(duì)建造穩(wěn)態(tài)先進(jìn)的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實(shí)驗(yàn)研究，并使中國在人類開發(fā)清潔而又無限的核聚變能的領(lǐng)域內(nèi)做出自己應(yīng)有的重大貢獻(xiàn)。

EAST的大小半徑只有國際熱核聚變試驗(yàn)堆（即ITER）的1/3和1/4，位形與ITER相似且更加靈活。EAST是一個(gè)近堆芯高參數(shù)和穩(wěn)態(tài)先進(jìn)等離子體運(yùn)行科學(xué)問題的重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它將是在ITER之前國際上最重要的穩(wěn)態(tài)偏濾器托卡馬克物理實(shí)驗(yàn)基地。

與世界上許多托卡馬克實(shí)驗(yàn)一樣，EAST 之前也曾達(dá)到過聚變。在托卡馬克的球形容器內(nèi)，太陽溫度般熾熱的等離子體，在由過冷電磁體固定在適當(dāng)位置的圓圈中旋轉(zhuǎn)。這個(gè)磁場中，3.6億攝氏度等離子體和一堆人造材料融合，不同的原子核粉碎在一起，這需要巨大的能源投資。

2018 年托卡馬克達(dá)到 1.8 億華氏度，即約 8200萬攝氏度，但當(dāng)時(shí)，EAST只能維持等離子體反應(yīng)約 10 秒。這還不夠熱，也不夠長，但此次EAST達(dá)到的1.2 億攝氏度和 101 秒肯定是一個(gè)紀(jì)錄。

雖然人造太陽的新紀(jì)錄很棒，但距離自我維持的等離子體反應(yīng)或“點(diǎn)火”還有很長的路要走。這可能涉及更高的溫度，并保持更長的時(shí)間。至于世界上其他備受矚目的反應(yīng)堆，英國的 MAST 反應(yīng)堆最近成為頭條新聞，其新的排氣系統(tǒng)比其前身減少了 10 倍的熱量。與此同時(shí)，全球國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER） 有望建造有史以來最大的托卡馬克，每個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆都有幫助推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步以幫助其他反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

EAST的未來可能涉及ITER、韓國的KSTAR 反應(yīng)堆、MAST 甚至包括托卡馬克研究人員的經(jīng)驗(yàn)成果，這些研究人員正在消除聚變能的主要障礙。

“人造太陽”1.2億攝氏度成功“燃燒”100秒時(shí)，內(nèi)部的紅外影像（中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所供圖）