崔金泰

2022年10月19日，傳來振奮人心的好消息：被稱為“人造太陽”的中國新一代可控核聚變實驗裝置（HL-2M）運行獲得突破性進展， 創(chuàng)造出1.5億攝氏度高溫和超過1兆安（100萬安培）的等離子體電流， 已達到核聚變點火要求， 實現(xiàn)核聚變穩(wěn)定運行的必要條件已經(jīng)具備。2023年4月12日，中國“人造太陽” 又創(chuàng)造了新的世界紀錄，成功實現(xiàn)等離子體穩(wěn)定運行403秒，這對提升核聚變能源經(jīng)濟性、可行性，加快實現(xiàn)核聚變發(fā)電具有重大意義。

科學家為獲得人類最理想的終極能源，數(shù)十年來一直努力模仿太陽上的核聚變反應，建造為人類提供清潔能源的裝置，因而核聚變實驗研究裝置被譽為“人造太陽”。處于世界研發(fā)前沿的中國“人造太陽”，將會在人們的期望中釋放出絢麗奪目的光芒！

揭開太陽經(jīng)久不息發(fā)光放熱的奧秘

太陽給地球帶來了光明和溫暖，維持生命活動的各種能源。據(jù)計算，太陽每秒鐘發(fā)出的能量約相當于1.3億億噸標準煤燃燒的能量。地球每天接收的太陽能，相當于全世界一年所消耗的總能量的200倍。太陽發(fā)光放熱已經(jīng)持續(xù)了約45億年。

也許有人會問，太陽的巨大能量來自哪里？為什么能長期發(fā)光而經(jīng)久不衰呢？

美國科學家貝特等人終于在1938年揭開了太陽發(fā)光的秘密。原來，太陽的巨大能量由氫而來，但不是氫和氧燃燒時產(chǎn)生的光和熱，而是氫原子核在高溫、高速運動條件下聚合產(chǎn)生的核反應放出的。也就是說，太陽內(nèi)部每時每刻都在進行著原子核聚變反應，即每4個氫原子核聚合成一個氦原子核，同時釋放出大量的光和熱。這就是通常所說的熱核聚變反應。

太陽內(nèi)部不斷進行著這種熱核聚變反應，猶如連續(xù)發(fā)生氫彈爆炸一樣，釋放出巨大的能量。這種能量之大，相當于1秒鐘內(nèi)爆炸910顆百萬噸級的氫彈（投在日本廣島的原子彈僅為兩萬噸級）。太陽釋放的能量如此之大，主要是因為核聚變反應所放出的能量是一般化學反應（如煤或天然氣燃燒）釋放出能量的百萬倍。例如，用氫通過核聚變反應合成4克氦所放出的熱量，就同燃燒12噸優(yōu)質(zhì)煤得到的熱量相當。而太陽主要是由氫氣組成的，其體積又特別巨大，在它的“肚子”里可以容納130萬個地球。由此可知，太陽里蘊藏著多么豐富的能量！這也正是太陽能經(jīng)久不衰地發(fā)光放熱的秘密所在。

太陽已有了，為何還要建“人造太陽”

說到這里，人們自然會產(chǎn)生疑問，太陽已經(jīng)有了，為什么還要花費巨大的人力、物力和時間去研制“人造太陽”呢？

這是因為世界現(xiàn)有的能源已向人類發(fā)出了挑戰(zhàn)：現(xiàn)在最常用的化石燃料（如煤、石油和天然氣），儲量有限，未來有枯竭的危險，而且還存在一定的環(huán)境污染。綠色新能源如風能、太陽能、水能等又受限于天氣或地理條件等的限制，難以滿足人類對能源的長遠需要。至于現(xiàn)在世界各國已建造的許多核電站，它們采用核裂變反應發(fā)電，所需要的鈾、钚等核燃料的儲量也不多，還會產(chǎn)生放射性。“人造太陽”采用的是核聚變反應，所需的原材料之一的氘在地球上儲量巨大，幾乎取之不盡、用之不竭，加之核聚變反應的產(chǎn)物對環(huán)境友好，沒有危害性，因而核聚變能源被認為是人類最理想的“終極能源”。

“人造太陽”如何為人類提供清潔能源

“人造太陽”就是仿照太陽上核聚變反應原理建造的為人類提供清潔而又廉價的電能的裝置。我國建造的“人造太陽”是全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），它是一個控制核聚變反應的環(huán)形容器。要想實現(xiàn)核聚變反應，造出“小太陽”，首先必須使環(huán)形容器中的氫（實際上是氫的兩種同位素氘、氚）原子核內(nèi)的核子（即質(zhì)子、中子）距離縮小到能使核子間接近核力發(fā)生作用的范圍內(nèi)。但是，由于原子核都帶正電，原子核之間存在著很大的靜電排斥力，要使它們接近核力作用的范圍，就需要讓參與核聚變反應的原子核先獲得足夠的動能，即原子核以極大的動能相互間發(fā)生猛烈的碰撞和壓縮，從而形成核聚變反應。在軍事上，人們利用核裂變反應的原子彈爆炸時產(chǎn)生的高溫和高壓，使氘和氚發(fā)生核聚變反應，從而制成威力比原子彈大得多的氫彈。

通常，使原子核獲得強力動能的辦法是，采用強大的電流向核聚變?nèi)剂想碗埃怏w）放電時，就會產(chǎn)生幾千萬甚至上億攝氏度的高溫。在這樣的高溫下，原子核外的電子已經(jīng)完全和原子核脫離，同時使氘、氚分離成帶正電和負電的離子，也就是形成燃燒的等離子體。這些高速、高溫的等離子體相互碰撞并對核聚變裝置的圓環(huán)狀容器壁進行轟擊，從而點火產(chǎn)生核聚變反應。強磁場可使高溫下的帶電離子匯聚成細柱狀而不飛散，以便按需要進行核聚變反應，即控制核聚變反應的速度。在核聚變反應過程中，氘和氚的原子核相互熔化，產(chǎn)生氦和中子。這些高能中子將加熱EAST中的渦輪發(fā)電系統(tǒng)，從而產(chǎn)生強大的電力。其發(fā)電過程安全，不會產(chǎn)生普通核電站那樣的放射性物質(zhì)。

那么，未來如果“人造太陽”成功運行，能為世界帶來什么改變和益處呢？

科學家是這樣回答的：首先是能源面臨的挑戰(zhàn)和危機將迎刃而解，能源的價格將非常低廉，一些因能耗限制而難以開展的項目如海水淡化、沙漠治理等，可以大規(guī)模開展，進而帶來生產(chǎn)和生活的巨大進步。其次，“人造太陽”的核聚變產(chǎn)物是氦和中子，不排放有害氣體，由于環(huán)境污染所產(chǎn)生的溫室效應、霧霾和酸雨等將大幅度減輕乃至消除，進而使生態(tài)環(huán)境得到徹底改善。另外，核聚變能源的原料氘可從含量豐富的海水中獲得。1升海水中含有0.03千克氘，這些氘通過核聚變反應釋放出的能量相當于300升汽油燃燒時釋放出的熱能。全球海洋中氘的儲量可達幾十萬噸，足夠人類使用幾十億年，可以一勞永逸地解決能源問題。

蓄勢待發(fā)的中國“人造太陽”將創(chuàng)奇跡

我國“人造太陽”的研制早在20世紀50年代就開始了，幾乎與國際上同步。2006年，我國在合肥自主建成了“人造太陽”實驗裝置，即托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），是全球首創(chuàng)的全超導型裝置，用以探索無限而清潔的核聚變能源。

2011年，我國與世界上30多個國家聯(lián)手打造“人造太陽”，即由30多個國家合建的國際熱核聚變實驗反應器。這個實驗反應器采用氘、氚核聚變反應，其中氘在海水中儲量極為豐富，而氚雖不能自然生成，但可在反應堆中通過鋰再生。當時的國際熱核聚變實驗反應器是有史以來最大的托卡馬克裝置，它能夠產(chǎn)生500兆瓦的電力，與一座火力發(fā)電站的發(fā)電量相當，但這種反應器不會用來發(fā)電，因為它只是一個大型的物理實驗裝置。

2016年初，我國合肥的“人造太陽”實驗裝置在實驗中創(chuàng)出新紀錄。這個核聚變反應器將核燃料的等離子體加熱到近5000萬攝氏度，是太陽中心溫度的3倍多，而且將這一溫度維持了102秒，使極端高溫持續(xù)時間從原來的20秒提高了5倍。與此同時，歐洲和日本科學家雖然也成功達到中國團隊所達到的溫度，但他們的高溫無法持續(xù)超過1分鐘，因為他們擔心會導致反應堆熔毀。

2021年5月，中國的“人造太陽”團隊又實現(xiàn)了新的里程碑。位于合肥的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置成功實現(xiàn)可重復的1.2億攝度101秒等離子體運行，而且還實現(xiàn)了1.6億攝氏度20秒等離子體運行。2021年12月30日，合肥的實驗裝置又實現(xiàn)了1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。這種千秒等離子體運行時間的實現(xiàn)，為未來建造穩(wěn)態(tài)的核聚變工程帶來了希望。

新一代中國“人造太陽”即“中國環(huán)流器二號M”（HL-2M）新型托卡馬克核聚變實驗裝置，已于2020年在成都投入運行，并開展相關的科學實險。

HL-2M裝置是我國早期的托卡馬克核聚變實驗裝置HL-2A的改進升級版，它采用了更先進的結構與控制方式，等離子體溫度有望超過2億攝氏度。它將為我國參與國際熱核聚變實驗反應器的相關實驗與運行，以及未來自主設計建造新型核聚變反應器提供重要技術支撐。

令人們驚喜的是，2022年10月19日，中國新一代“人造太陽”的研制實驗又獲得關鍵性的突破，托卡馬克核聚變裝置的核心參數(shù)即等離子體電流已達到100萬安培（1兆安），創(chuàng)造了中國核聚變實驗裝置運行的新紀錄。這標志著中國“人造太陽”向核聚變點火邁進了重要的一步！

未來的托卡馬克核聚變裝置必須在兆安級電流下穩(wěn)定運行。中國HL-2M裝置的等離子體電流能力可以達到2.5兆安以上，這意味著該裝置未來可以在超過1兆安的電流下常規(guī)運行，從而為進一步實驗研究創(chuàng)造了有利條件。

目前，中國“人造太陽”實驗裝置已經(jīng)具備1兆安的等離子體電流、1億攝氏度的高溫等離子體、1000秒的連續(xù)運行時間這三個獲得核聚變能源的必要條件。顯然，中國“人造太陽”的研制已位于世界的最前列，而且其研制機構承諾將參與安裝國際熱核聚變實驗反應器的核心裝備，并提供更多的相關信息。人們期待著中國“人造太陽”在不遠的將來噴放出耀眼的“陽光”！

【責任編輯】蒲 暉