崔金泰

2022年10月19日，傳來(lái)振奮人心的好消息：被稱為“人造太陽(yáng)”的中國(guó)新一代可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（HL-2M）運(yùn)行獲得突破性進(jìn)展， 創(chuàng)造出1.5億攝氏度高溫和超過(guò)1兆安（100萬(wàn)安培）的等離子體電流， 已達(dá)到核聚變點(diǎn)火要求， 實(shí)現(xiàn)核聚變穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件已經(jīng)具備。2023年4月12日，中國(guó)“人造太陽(yáng)” 又創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)等離子體穩(wěn)定運(yùn)行403秒，這對(duì)提升核聚變能源經(jīng)濟(jì)性、可行性，加快實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電具有重大意義。

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

揭開(kāi)太陽(yáng)經(jīng)久不息發(fā)光放熱的奧秘

太陽(yáng)給地球帶來(lái)了光明和溫暖，維持生命活動(dòng)的各種能源。據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)每秒鐘發(fā)出的能量約相當(dāng)于1.3億億噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒的能量。地球每天接收的太陽(yáng)能，相當(dāng)于全世界一年所消耗的總能量的200倍。太陽(yáng)發(fā)光放熱已經(jīng)持續(xù)了約45億年。

也許有人會(huì)問(wèn)，太陽(yáng)的巨大能量來(lái)自哪里？為什么能長(zhǎng)期發(fā)光而經(jīng)久不衰呢？

美國(guó)科學(xué)家貝特等人終于在1938年揭開(kāi)了太陽(yáng)發(fā)光的秘密。原來(lái)，太陽(yáng)的巨大能量由氫而來(lái)，但不是氫和氧燃燒時(shí)產(chǎn)生的光和熱，而是氫原子核在高溫、高速運(yùn)動(dòng)條件下聚合產(chǎn)生的核反應(yīng)放出的。也就是說(shuō)，太陽(yáng)內(nèi)部每時(shí)每刻都在進(jìn)行著原子核聚變反應(yīng)，即每4個(gè)氫原子核聚合成一個(gè)氦原子核，同時(shí)釋放出大量的光和熱。這就是通常所說(shuō)的熱核聚變反應(yīng)。

太陽(yáng)內(nèi)部不斷進(jìn)行著這種熱核聚變反應(yīng)，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(dāng)于1秒鐘內(nèi)爆炸910顆百萬(wàn)噸級(jí)的氫彈（投在日本廣島的原子彈僅為兩萬(wàn)噸級(jí)）。太陽(yáng)釋放的能量如此之大，主要是因?yàn)楹司圩兎磻?yīng)所放出的能量是一般化學(xué)反應(yīng)（如煤或天然氣燃燒）釋放出能量的百萬(wàn)倍。例如，用氫通過(guò)核聚變反應(yīng)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(dāng)。而太陽(yáng)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(wàn)個(gè)地球。由此可知，太陽(yáng)里蘊(yùn)藏著多么豐富的能量！這也正是太陽(yáng)能經(jīng)久不衰地發(fā)光放熱的秘密所在。

太陽(yáng)已有了，為何還要建“人造太陽(yáng)”

說(shuō)到這里，人們自然會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)，太陽(yáng)已經(jīng)有了，為什么還要花費(fèi)巨大的人力、物力和時(shí)間去研制“人造太陽(yáng)”呢？

這是因?yàn)槭澜绗F(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(chǔ)量有限，未來(lái)有枯竭的危險(xiǎn)，而且還存在一定的環(huán)境污染。綠色新能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等又受限于天氣或地理?xiàng)l件等的限制，難以滿足人類對(duì)能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)需要。至于現(xiàn)在世界各國(guó)已建造的許多核電站，它們采用核裂變反應(yīng)發(fā)電，所需要的鈾、钚等核燃料的儲(chǔ)量也不多，還會(huì)產(chǎn)生放射性?！叭嗽焯?yáng)”采用的是核聚變反應(yīng)，所需的原材料之一的氘在地球上儲(chǔ)量巨大，幾乎取之不盡、用之不竭，加之核聚變反應(yīng)的產(chǎn)物對(duì)環(huán)境友好，沒(méi)有危害性，因而核聚變能源被認(rèn)為是人類最理想的“終極能源”。

“人造太陽(yáng)”如何為人類提供清潔能源

“人造太陽(yáng)”就是仿照太陽(yáng)上核聚變反應(yīng)原理建造的為人類提供清潔而又廉價(jià)的電能的裝置。我國(guó)建造的“人造太陽(yáng)”是全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST），它是一個(gè)控制核聚變反應(yīng)的環(huán)形容器。要想實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，造出“小太陽(yáng)”，首先必須使環(huán)形容器中的氫（實(shí)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(yīng)的原子核先獲得足夠的動(dòng)能，即原子核以極大的動(dòng)能相互間發(fā)生猛烈的碰撞和壓縮，從而形成核聚變反應(yīng)。在軍事上，人們利用核裂變反應(yīng)的原子彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫和高壓，使氘和氚發(fā)生核聚變反應(yīng)，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(qiáng)力動(dòng)能的辦法是，采用強(qiáng)大的電流向核聚變?nèi)剂想碗埃怏w）放電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生幾千萬(wàn)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(shí)使氘、氚分離成帶正電和負(fù)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(duì)核聚變裝置的圓環(huán)狀容器壁進(jìn)行轟擊，從而點(diǎn)火產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。強(qiáng)磁場(chǎng)可使高溫下的帶電離子匯聚成細(xì)柱狀而不飛散，以便按需要進(jìn)行核聚變反應(yīng)，即控制核聚變反應(yīng)的速度。在核聚變反應(yīng)過(guò)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(qiáng)大的電力。其發(fā)電過(guò)程安全，不會(huì)產(chǎn)生普通核電站那樣的放射性物質(zhì)。

那么，未來(lái)如果“人造太陽(yáng)”成功運(yùn)行，能為世界帶來(lái)什么改變和益處呢？

科學(xué)家是這樣回答的：首先是能源面臨的挑戰(zhàn)和危機(jī)將迎刃而解，能源的價(jià)格將非常低廉，一些因能耗限制而難以開(kāi)展的項(xiàng)目如海水淡化、沙漠治理等，可以大規(guī)模開(kāi)展，進(jìn)而帶來(lái)生產(chǎn)和生活的巨大進(jìn)步。其次，“人造太陽(yáng)”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(yīng)、霧霾和酸雨等將大幅度減輕乃至消除，進(jìn)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(guò)核聚變反應(yīng)釋放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒時(shí)釋放出的熱能。全球海洋中氘的儲(chǔ)量可達(dá)幾十萬(wàn)噸，足夠人類使用幾十億年，可以一勞永逸地解決能源問(wèn)題。

蓄勢(shì)待發(fā)的中國(guó)“人造太陽(yáng)”將創(chuàng)奇跡

我國(guó)“人造太陽(yáng)”的研制早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始了，幾乎與國(guó)際上同步。2006年，我國(guó)在合肥自主建成了“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置，即托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST），是全球首創(chuàng)的全超導(dǎo)型裝置，用以探索無(wú)限而清潔的核聚變能源。

2011年，我國(guó)與世界上30多個(gè)國(guó)家聯(lián)手打造“人造太陽(yáng)”，即由30多個(gè)國(guó)家合建的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器。這個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器采用氘、氚核聚變反應(yīng)，其中氘在海水中儲(chǔ)量極為豐富，而氚雖不能自然生成，但可在反應(yīng)堆中通過(guò)鋰再生。當(dāng)時(shí)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器是有史以來(lái)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(dāng)，但這種反應(yīng)器不會(huì)用來(lái)發(fā)電，因?yàn)樗皇且粋€(gè)大型的物理實(shí)驗(yàn)裝置。

2016年初，我國(guó)合肥的“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)出新紀(jì)錄。這個(gè)核聚變反應(yīng)器將核燃料的等離子體加熱到近5000萬(wàn)攝氏度，是太陽(yáng)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(shí)間從原來(lái)的20秒提高了5倍。與此同時(shí)，歐洲和日本科學(xué)家雖然也成功達(dá)到中國(guó)團(tuán)隊(duì)所達(dá)到的溫度，但他們的高溫?zé)o法持續(xù)超過(guò)1分鐘，因?yàn)樗麄儞?dān)心會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆熔毀。

2021年5月，中國(guó)的“人造太陽(yáng)”團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)了新的里程碑。位于合肥的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝度101秒等離子體運(yùn)行，而且還實(shí)現(xiàn)了1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行。2021年12月30日，合肥的實(shí)驗(yàn)裝置又實(shí)現(xiàn)了1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間。這種千秒等離子體運(yùn)行時(shí)間的實(shí)現(xiàn)，為未來(lái)建造穩(wěn)態(tài)的核聚變工程帶來(lái)了希望。

新一代中國(guó)“人造太陽(yáng)”即“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”（HL-2M）新型托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，已于2020年在成都投入運(yùn)行，并開(kāi)展相關(guān)的科學(xué)實(shí)險(xiǎn)。

HL-2M裝置是我國(guó)早期的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置HL-2A的改進(jìn)升級(jí)版，它采用了更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，等離子體溫度有望超過(guò)2億攝氏度。它將為我國(guó)參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器的相關(guān)實(shí)驗(yàn)與運(yùn)行，以及未來(lái)自主設(shè)計(jì)建造新型核聚變反應(yīng)器提供重要技術(shù)支撐。

令人們驚喜的是，2022年10月19日，中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”的研制實(shí)驗(yàn)又獲得關(guān)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(dá)到100萬(wàn)安培（1兆安），創(chuàng)造了中國(guó)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行的新紀(jì)錄。這標(biāo)志著中國(guó)“人造太陽(yáng)”向核聚變點(diǎn)火邁進(jìn)了重要的一步！

未來(lái)的托卡馬克核聚變裝置必須在兆安級(jí)電流下穩(wěn)定運(yùn)行。中國(guó)HL-2M裝置的等離子體電流能力可以達(dá)到2.5兆安以上，這意味著該裝置未來(lái)可以在超過(guò)1兆安的電流下常規(guī)運(yùn)行，從而為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究創(chuàng)造了有利條件。

目前，中國(guó)“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)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(yùn)行時(shí)間這三個(gè)獲得核聚變能源的必要條件。顯然，中國(guó)“人造太陽(yáng)”的研制已位于世界的最前列，而且其研制機(jī)構(gòu)承諾將參與安裝國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器的核心裝備，并提供更多的相關(guān)信息。人們期待著中國(guó)“人造太陽(yáng)”在不遠(yuǎn)的將來(lái)噴放出耀眼的“陽(yáng)光”！

【責(zé)任編輯】蒲 暉