兩個(gè)月前，中國(guó)科學(xué)家又創(chuàng)造了一個(gè)“世界紀(jì)錄”。未來(lái)，我們傳統(tǒng)的能源——煤、石油、天然氣等，可能都要靠邊站了。

兩個(gè)月前，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子物理研究所傳來(lái)捷報(bào)：我國(guó)的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置首次實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行。

全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，這個(gè)名字念起來(lái)有點(diǎn)拗口又難以理解，不過(guò)它有一個(gè)好記的名字叫“東方超環(huán)（EAST）”，也有人通俗地叫它“人造太陽(yáng)”——因?yàn)樗哪繕?biāo)是讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下，像太陽(yáng)一樣發(fā)生核聚變，為人類(lèi)提供源源不斷的清潔能源。

在這次核聚變實(shí)驗(yàn)中，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了5000萬(wàn)攝氏度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了從60秒到百秒量級(jí)的跨越。

聚變優(yōu)點(diǎn)：原料儲(chǔ)量豐富 產(chǎn)物沒(méi)有放射性

如今，對(duì)于新能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、潮汐能、地?zé)崮艿?，大家都不陌生，但一個(gè)不可否認(rèn)的事實(shí)是，這些新能源從根本上來(lái)說(shuō)，只是一種輔助能源，還無(wú)法取代煤、石油、天然氣等化石燃料的地位。

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，核電登上世界能源舞臺(tái)，并展示出巨大的威力——只要燃燒極少的燃料就可獲得巨大的能量。不過(guò)，核電站是以原子核的裂變反應(yīng)為基礎(chǔ)，產(chǎn)生的放射性廢物處理起來(lái)也比較困難，而且主要核燃料鈾的儲(chǔ)量相對(duì)來(lái)說(shuō)并不豐富，開(kāi)采和提煉也十分困難；而核裂變反應(yīng)的原料之一——钚，在自然界中甚至無(wú)法找到，需要人工合成。此外，核電在人類(lèi)發(fā)展史上發(fā)生的一些大事故，比如切爾諾貝利事故和福島核電站核泄漏事故，讓人們對(duì)核電站仍心有余悸。所以，雖然以核裂變?yōu)樵淼脑幽茉诩夹g(shù)上已無(wú)太多障礙，但在全球能源體系內(nèi)，核裂變?cè)凇澳茉磳m斗”中，遲遲無(wú)法上位。

相對(duì)核電的核裂變來(lái)說(shuō)，人造太陽(yáng)的核聚變是否也會(huì)有核輻射的隱患呢？

答案是聚變的產(chǎn)物沒(méi)有放射性。同時(shí)，由于聚變反應(yīng)需要的條件比較高，一旦發(fā)生事故，造成反應(yīng)的等離子體約束破裂，聚變反應(yīng)便會(huì)終止。因此聚變?nèi)剂系谋４孢\(yùn)輸、聚變電站的運(yùn)行都比較安全。

與核裂變比起來(lái)，核聚變還有一個(gè)天然的巨大優(yōu)勢(shì)，它的原料儲(chǔ)量極其豐富。其主要燃料是存在于地球海水之中的氘（氫的同位素），而另一種原料氚（同樣是氫的同位素），可用中子轟擊鋰的方法制備；而科學(xué)家預(yù)想的聚變?nèi)剂现弧昂?3”，在月球上也有豐沛儲(chǔ)量。

關(guān)鍵裝置全超導(dǎo)托卡馬克：能約束上億攝氏度高溫等離子體

核聚變對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)似乎都有些陌生。但早在20世紀(jì)50年代初，人類(lèi)就實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)——?dú)鋸棻?。其原理?jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是用一個(gè)裂變反應(yīng)作雷管，通過(guò)原子彈爆炸制造出高溫高壓，從而“引爆”聚變反應(yīng)，但這種瞬間的猛烈爆炸人類(lèi)無(wú)法控制。因此，要把核聚變時(shí)產(chǎn)生的巨大能量為我們所用，必須要對(duì)劇烈的聚變核反應(yīng)加以控制，所以，人類(lèi)要做的就是——受控核聚變。

科學(xué)家想到的一種方法是，用粒子加速器來(lái)提高原子核速度，讓其碰撞。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種方法可以發(fā)生聚變反應(yīng)，但是反應(yīng)釋放出的能量遠(yuǎn)小于加速原子核所消耗的能量，顯然，此種方法只能做科學(xué)實(shí)驗(yàn)，無(wú)法提供能源。

另一種方法是提高核燃料的溫度，物質(zhì)溫度越高，意味著其微觀粒子的無(wú)規(guī)則速度越大?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，聚變反應(yīng)需要的高溫可達(dá)上億攝氏度。那么，問(wèn)題就來(lái)了，上億攝氏度的高溫，什么樣的“爐子”才能承受呢？

其實(shí)，在這個(gè)溫度上，物質(zhì)都處于等離子體態(tài)，也就是說(shuō)，物質(zhì)的原子核和核外電子是分離的，電子不再受某一特定的原子核束縛成為自由電子，而原子失去電子也成為帶正電的離子。換言之，等離子體中的粒子“帶電”了。

科學(xué)家就此想到了磁場(chǎng)，因?yàn)閹щ娏Ｗ釉诖艌?chǎng)中會(huì)繞磁力線(xiàn)做回旋運(yùn)動(dòng)，可以利用通過(guò)在容器內(nèi)建立磁場(chǎng)來(lái)約束等離子體，使其不與容器壁直接接觸。于是，科學(xué)家在螺線(xiàn)管中，讓帶電粒子沿封閉的磁力線(xiàn)做螺旋式運(yùn)動(dòng)，上億度高溫的等離子體就乖乖地被約束在這種環(huán)形的磁場(chǎng)中了。這種環(huán)形的磁場(chǎng)又叫“磁瓶”或“磁籠”，可把熾熱的等離子體“托舉”在空中。所以說(shuō)，“東方超環(huán)”這次5000萬(wàn)攝氏度高溫的表現(xiàn)，其實(shí)還有很大的成長(zhǎng)空間。

對(duì)于這一過(guò)程，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所研究員、中國(guó)工程院院士李建剛是如此表述的——“磁約束聚變利用強(qiáng)磁場(chǎng)這一‘磁容器’來(lái)約束高溫等離子體，并進(jìn)而將其加熱至上億度，從而維持連續(xù)的熱核反應(yīng)，產(chǎn)生巨大能量?！?/p>

而這也就是“東方超環(huán)”——“托卡馬克”裝置的原理：該詞轉(zhuǎn)寫(xiě)自俄語(yǔ)單詞Tokamak，是來(lái)源于環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線(xiàn)圈（kotushka）的生造詞。

延伸閱讀

EAST “世界紀(jì)錄”：高約束放電時(shí)間從60秒量級(jí)突破百秒量級(jí)

EAST（Experimental Advanced Super-conducting Tokamak）本意為“先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克”，也具有“東方”的含意。EAST高11米、直徑4米、重達(dá)400噸，為我國(guó)第四代核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

7月3日晚，EAST首次實(shí)現(xiàn)了5000萬(wàn)攝氏度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了從60秒到百秒量級(jí)的跨越。

從60秒到跨越百秒，這個(gè)量級(jí)的變化意味著什么呢？

李建剛介紹，我國(guó)核聚變能研究始于20世紀(jì)60年代初，EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置于2006年初成功進(jìn)行了工程調(diào)試，并于2006年成功開(kāi)展了兩次物理實(shí)驗(yàn)，獲得了拉長(zhǎng)截面偏濾器等離子體。

EAST實(shí)驗(yàn)也先后創(chuàng)下多項(xiàng)托卡馬克運(yùn)行的世界紀(jì)錄：2012年實(shí)現(xiàn)30秒高約束等離子體放電；2016年獲得60秒的完全非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體。

“穩(wěn)態(tài)高約束運(yùn)行模式”是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃的基本運(yùn)行模式，也是未來(lái)反應(yīng)堆需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。作為國(guó)際重要的長(zhǎng)脈沖核聚變實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，EAST超導(dǎo)托卡馬克高約束放電時(shí)間實(shí)現(xiàn)百秒量級(jí)的突破，將為我國(guó)下一代核聚變裝置的建設(shè)和國(guó)際核聚變清潔能源的開(kāi)發(fā)利用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“未來(lái)商用堆必須是全超導(dǎo)，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。”李建剛指出，全超導(dǎo)托卡馬克可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，并通過(guò)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下大大改善約束，為未來(lái)穩(wěn)態(tài)、先進(jìn)聚變反應(yīng)堆奠定工程技術(shù)和物理基礎(chǔ)。