“人造太陽”會(huì)成為下一代清潔能源嗎

文／本刊實(shí)習(xí)記者 都芃

100萬安培是什么概念？不久前，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院傳來捷報(bào)，我國(guó)新一代“人造太陽”（HL-2M）等離子體電流突破100萬安培（1兆安），創(chuàng)造了我國(guó)可控核聚變裝置運(yùn)行的新紀(jì)錄。100萬安培，這個(gè)巨大數(shù)字背后，是我國(guó)“人造太陽”向著核聚變點(diǎn)火邁出的重要一步。

什么是“人造太陽”？

“人造太陽”即托卡馬克裝置，是通過模擬太陽核聚變，利用可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)來為人類提供清潔能源的一種裝置。托卡馬克裝置的中央是一個(gè)環(huán)形真空室，里面注滿氣體，外面纏繞著線圈。線圈通電以后，會(huì)在托卡馬克內(nèi)部產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，里面的氣體將被電離成等離子體并形成等離子體電流，當(dāng)?shù)入x子體被加熱到極高溫度后，便可達(dá)到核聚變條件。

中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副所長(zhǎng)、HL-2M實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人鐘武律告訴記者，要衡量核聚變裝置及核聚變研究水平，主要看3個(gè)參數(shù)：燃料的離子溫度、等離子體密度和能量約束時(shí)間。3個(gè)參數(shù)缺一不可：首先溫度要足夠高，能夠使燃料變成超過一億攝氏度的等離子體；二是密度要足夠大，這樣原子核發(fā)生碰撞的概率就大；三是等離子體能夠在裝置內(nèi)被約束足夠長(zhǎng)的時(shí)間。只有當(dāng)這3個(gè)參數(shù)的乘積超過一個(gè)特定數(shù)值時(shí)，才能夠達(dá)到發(fā)生核聚變反應(yīng)的條件。而等離子體電流的大小將顯著影響3個(gè)參數(shù)中的等離子體密度和能量約束時(shí)間。因此，鐘武律表示，未來托卡馬克裝置要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，等離子體電流必須要超過1兆安。這樣聚變3個(gè)參數(shù)的乘積才有可能超過特定數(shù)值，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。

等離子體電流聽起來“高大上”，但鐘武律告訴記者，其基本原理實(shí)際非常簡(jiǎn)單。“我們的托卡馬克裝置其實(shí)就是在一個(gè)大型真空容器里面注滿氣體，然后把氣體電離變成等離子體，再用強(qiáng)磁場(chǎng)把帶電粒子控制住，讓它在真空容器里面懸浮起來。類似的等離子體在生活中其實(shí)很常見，比如日光燈管中就有。”

實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電還有多遠(yuǎn)？

相比于人類目前采用的多種能源，核聚變能堪稱是真正的“未來能源”：一方面，核聚變的反應(yīng)原材料氘能夠在海水中獲得，儲(chǔ)量豐富，取之不竭。1升海水中提取的氘完全發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)，其釋放的能量相當(dāng)于燃燒300升汽油。另一方面，相比于依靠核裂變產(chǎn)生能源，核聚變的安全性也更為可靠。如果說核裂變是把鏡子摔碎，那么核聚變就是把摔碎的鏡子復(fù)原。核聚變通常是將氫的同位素、輕原子核氘和氚結(jié)合成較重的原子核氦來釋放巨大能量。而要想讓原本獨(dú)立的兩個(gè)原子核克服各種阻礙合為一體，對(duì)溫度、密度、約束時(shí)間等條件的要求都極為苛刻，一旦條件受限，反應(yīng)無法維持，核聚變就不會(huì)發(fā)生。

核聚變雖然好處很多，但必須承認(rèn)目前距離依靠核聚變產(chǎn)生能源發(fā)電，還有很長(zhǎng)的路要走，現(xiàn)階段最為實(shí)際的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真正的核聚變點(diǎn)火。鐘武律表示，HL-2M不僅在等離子體電流這一參數(shù)上擁有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，其設(shè)計(jì)等離子體離子溫度可達(dá)到1.5億攝氏度，同樣能夠滿足點(diǎn)火要求。未來，HL-2M將繼續(xù)有條不紊地開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)工作，沖擊更高的等離子體電流和離子溫度等參數(shù)，全面提升核聚變3個(gè)參數(shù)，向著核聚變點(diǎn)火不斷邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)“人造太陽”研究新的飛躍。