中國離“人造太陽”的夢(mèng)想更近一步

主持：棉花糖

太陽，這個(gè)在中國神話中被稱為“金輪”的宇宙中的神秘天體，已經(jīng)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(wù)，是否能解決未來的能源問題？

今年4月12日21時(shí)，我國被稱為“人造太陽”的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）創(chuàng)造了一項(xiàng)新的世界紀(jì)錄——成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒。這對(duì)探索未來的聚變堆前沿物理問題等多個(gè)方面具有重要意義。

[什么是“人造太陽”]

太陽為什么會(huì)不斷發(fā)光并釋放能量？這其實(shí)是核聚變的結(jié)果。太陽的直徑比地球大109倍，質(zhì)量比地球重33萬倍，太陽的巨大質(zhì)量產(chǎn)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(yīng)，并將核聚變反應(yīng)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(shí)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(gè)太陽”不可嗎]

宇宙中已經(jīng)有一個(gè)太陽了，為什么還非得再“造個(gè)太陽”呢？這就需要從能源說起。我們?nèi)祟悘纳a(chǎn)到生活，各種活動(dòng)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(chǔ)量，大概只夠人類再用幾十年。除了儲(chǔ)量有限，化石能源還會(huì)帶來一個(gè)問題——污染環(huán)境。風(fēng)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(jì)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(yīng)能源且不帶來污染。

于是，在核技術(shù)不斷創(chuàng)新的今天，人們對(duì)于建設(shè)一個(gè)類似“太陽”的愿望愈發(fā)強(qiáng)烈。那“人造太陽”為什么就能無限供應(yīng)能源呢？“人造太陽”產(chǎn)能的原理又是什么？

太陽是利用核聚變反應(yīng)不斷向地球輸送能源的，“人造太陽”當(dāng)然也需要借助核技術(shù)。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(chǎn)生巨大的能量；核聚變是將兩個(gè)質(zhì)量輕的原子核“聚合”成為一個(gè)重原子核。我們知道能量是守恒的，“消失”的質(zhì)量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫薮蟮哪芰浚夷芰勘群肆炎兏摺?/p>

那核聚變產(chǎn)生的能量到底有多大呢？有個(gè)形象且相對(duì)準(zhǔn)確的說法，是1升海水通過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油。而且核聚變反應(yīng)的完美之處在于：反應(yīng)產(chǎn)物僅為惰性氣體氦，無毒無害；即便運(yùn)行過程中也可以即關(guān)即停，極少產(chǎn)生放射性廢物或不可控負(fù)面效果；原料容易獲得，畢竟聚變反應(yīng)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(yuǎn)嗎？一點(diǎn)都不遠(yuǎn)。核聚變部分關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)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(shù)、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(dòng)機(jī)就是一個(gè)大型核聚變反應(yīng)堆，它能推著地球“流浪”，且不用擔(dān)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(fù)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(jí)文明邁進(jìn)。所以，在地球上“造個(gè)太陽”的回報(bào)遠(yuǎn)超投入。

[“人造太陽”到底有多難]

從廣義角度而言，“造個(gè)太陽”作為科學(xué)研究并不難，從20世紀(jì)50年代開始，世界上大大小小的“人造太陽”核聚變實(shí)驗(yàn)設(shè)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(rèn)的聚變研究步驟是聚變實(shí)驗(yàn)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(biāo)。

問題是，實(shí)現(xiàn)“人造太陽”還需要克服很多技術(shù)上的難點(diǎn)，如引發(fā)核聚變需要超高溫度（燃料溫度達(dá)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(xué)家面臨的一大難題。后來，科學(xué)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(shí)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(gè)長得像甜甜圈似的真空腔，外邊包裹著磁線圈，在真空腔內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)形磁場。等離子態(tài)的核聚變?nèi)剂暇驮诶锩胬@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(yīng)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(shí)間。以現(xiàn)有的工程技術(shù)、材料技術(shù)等還有很多條件達(dá)不到。而且，人類不僅僅是要造一個(gè)“太陽”，更重要的是通過了解“人造太陽”的一切行為習(xí)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(hào)（HL-1）裝置是第一個(gè)由我國自主設(shè)計(jì)、自主建造的，國際首個(gè)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(dāng)之無愧的里程碑，為我國的受控核聚變研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

中國環(huán)流器新一號(hào)裝置（HL-1M）是以HL-1裝置為基礎(chǔ)改建而成，是具有特色的、達(dá)到國際先進(jìn)水平的實(shí)驗(yàn)成果，使我國的核聚變實(shí)驗(yàn)研究水平又邁上了一個(gè)新臺(tái)階。1999年中國環(huán)流器二號(hào)A裝置（HL-2A）正式動(dòng)工建造，2002年12月驗(yàn)收。借助HL-2A這個(gè)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(biāo)志著中國向聚變裝置點(diǎn)火所需的1億度高溫邁進(jìn)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(xiàng)成果達(dá)到、甚至超過世界水平，每一個(gè)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生都經(jīng)過了科研人員長達(dá)數(shù)年的準(zhǔn)備工作和反復(fù)驗(yàn)證，凝聚了無數(shù)科研人員的夢(mèng)想與汗水。

“人造太陽”技術(shù)實(shí)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(shù)，不僅是為了解決當(dāng)前的能源危機(jī)，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(gè)時(shí)候，世界每一個(gè)角落都會(huì)變得溫暖又明亮！