王大江 吳庭 王浩倫 于祺

2022年10月19日，中國新一代“人造太陽”裝置（HL-2M）等離子體電流突破100萬安培，創(chuàng)造了中國可控核聚變裝置運行新紀錄。這標志在“逐日”之路上，中國又向“開發(fā)清潔能源”的夢想邁進了一大步。

什么是“人造太陽”？為什么要建造“人造太陽”？這其中蘊含著怎么樣的物理學原理呢？

可能有朋友會發(fā)出這樣的疑問，在全球氣候變暖的今天，再造一個“太陽”，豈不是更熱了？

其實，新一代“人造太陽”不是建在天上的另一個太陽，而是科學家們在地球上建造的一座裝置。它如同太陽一樣利用核聚變反應來源源不斷地釋放能量，因而被形象地稱作“人造太陽”，其使命就是為人類提供清潔、穩(wěn)定的核聚變能。

微觀世界有一位極其重要的成員——原子。原子由原子核和核外電子構(gòu)成，核聚變中的“核”指的就是“原子核”?！熬圩儭笔侵敢环N聚合反應。核聚變是兩個較輕的原子核，例如氘（dāo）和氚（chuān），發(fā)生聚合反應而生成一個較重的原子核，在此過程中會釋放出巨大的能量，即“核聚變能”。

那么，在核聚變反應過程中，為什么會釋放出巨大的能量呢？提到這個問題，我們就得請出偉大的科學天才——愛因斯坦。

1905年注定是科學史上不平凡的一年，愛因斯坦面對蜂擁而來的學者、記者，在黑板上寫下質(zhì)能方程：E=mc2 。

從此，數(shù)百年來經(jīng)典物理學中物質(zhì)與能量的屏障被打破了。質(zhì)能方程中，E指能量，m指物質(zhì)質(zhì)量，它們之間存在簡單的正比關(guān)系，比值是光速c的平方。光速約等于3×108米/秒，光速的平方就約等于9×1016米/秒，這是一個極為龐大的數(shù)字，所以即便是很小的質(zhì)量虧損，也可以釋放出巨大的能量。核聚變正是利用這一點發(fā)揮出了核力強大的潛能。

核聚變反應示意圖

原子核-核內(nèi)質(zhì)子與中子通過強核力克服斥力（庫侖力）束縛而成原子核的結(jié)構(gòu)

由于核聚變反應過程中，原子核總質(zhì)量減小，所以自然而然會釋放出大量的核聚變能，這些能量如果在瞬間全部釋放，將會具有極大的破壞性，氫彈就是利用這一原理研制而成的。而在“人造太陽”裝置中，需要將這些能量變得可控，從而緩慢地釋放出核聚變能用以發(fā)電。

實現(xiàn)受控核聚變反應的條件極為苛刻：等離子體（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的物質(zhì)第四態(tài)）溫度、密度、能量約束時間，這3個參數(shù)的乘積（聚變?nèi)朔e）必須達到一定值，才能滿足聚變“點火”條件。

判斷聚變?nèi)朔e是否滿足“點火”條件的依據(jù)被稱為勞森判據(jù)。詳細而言，實現(xiàn)受控核聚變反應需要：

非常高的溫度——中心溫度（T）需大于1億攝氏度，這種條件下核與核之間才能得到足夠的動能發(fā)生碰撞；

高密度——需要盡可能提高反應物質(zhì)的密度（n），從而在固定空間里增加原子核碰撞發(fā)生核聚變反應的概率；

能量約束時間（τ）足夠長——能量約束時間越長，則核反應維持的能力越強，能量損失越少，實際產(chǎn)出的凈能量就越多，如果能量約束時間過短，那么將會“入不敷出”，使得聚變產(chǎn)能失去意義。

為了滿足上述聚變反應的條件，科學家提出過多種構(gòu)想，最終決定把重心放在磁約束核聚變的方法上。磁約束核聚變裝置種類繁多，前文提到的“人造太陽”是一種托卡馬克裝置。托卡馬克裝置是由蘇聯(lián)科學家阿齊莫維齊在1954年發(fā)明的，它利用外加磁場將帶電粒子約束在一個環(huán)形真空容器內(nèi)，故此得名“托卡馬克”（俄語音譯，意為環(huán)形真空磁線圈）。

?“人造太陽455d838a9496db50435e02e2131dad6f”（托卡馬克）裝置

2020年12月4日，中國新一代“人造太陽”（HL-2M）裝置建成并實現(xiàn)首次放電，該裝置是中國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的托卡馬克裝置。

裝置建成后備受關(guān)注，成果入選由中國科學院院士和中國工程院院士投票評選的2020年“中國十大科技進展新聞”。它的建成是中國磁約束聚變發(fā)展史上的一個重要里程碑，是中國開展堆芯級聚變等離子體物理研究重要的試驗平臺，將為中國深度參與國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃及未來自主設計、建造聚變堆提供重要技術(shù)支撐。

中國新一代“人造太陽”（HL-2M）裝置總高度8.39米，直徑8米，主機總重470噸，由核工業(yè)西南物理研究院聯(lián)合國內(nèi)多家單位研制，在裝置物理與結(jié)構(gòu)設計、特殊材料研制、材料連接與關(guān)鍵部件研發(fā)、總裝集成等方面取得多項突破，實現(xiàn)了可拆卸線圈結(jié)構(gòu)，增強了控制運行水平，提升了裝置物理實驗研究能力。部分技術(shù)突破了國外封鎖，解決了“卡脖子”問題。

該裝置等離子體大半徑達到1.78米，小半徑0.65米，它的等離子體體積達到國內(nèi)現(xiàn)有裝置2倍以上，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體離子溫度可達到1.5億攝氏度，相當于太陽芯部溫度的近10倍，能實現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運行。

中國新一代“人造太陽”（HL-2M）裝置成為中國聚變界的“明日之星”，在“逐日”征程上，期待它持續(xù)不斷地刷新中國可控核聚變研究裝置一個又一個紀錄，創(chuàng)造更多令世人矚目的成果。

國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是目前世界上僅次于國際空間站的又一個國際大科學工程計劃，由歐盟、中國、美國、俄羅斯、英國、印度、日本和韓國聯(lián)合建設，共耗資200億歐元（約合人民幣1640億元）。

中國于2006年正式簽約加入該計劃，并參與多個部件（包括核心部件）的制造以及其他方面的工作。

國際熱核聚變實驗堆計劃承載著人類和平利用核聚變能的美好愿望，由它帶來的能量以及其他可再生能源將是“地球的奇跡”。

（責任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游）

國際熱核實驗反應堆內(nèi)部示意圖