【原】什么是人造太陽？可控核聚變反應(yīng)，中國(guó)在世界什么水平？

科普觀 2022-05-26 發(fā)布于山東

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太陽可謂是生命的起源，它蘊(yùn)含的巨大能量也引發(fā)了人們關(guān)于未來能源的思考。在針對(duì)太陽的研究當(dāng)中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)支撐其通過核聚變散發(fā)光和熱的主要燃料是氘，且地球上儲(chǔ)存極為豐富，如果能夠利用氘制造一個(gè)人工太陽，那實(shí)現(xiàn)能源自由就指日可待了。從埋下這顆種子開始，研究者們前赴后繼，至今為止已經(jīng)取得了許多重要成果，人類對(duì)核能反應(yīng)的認(rèn)識(shí)也更加深刻。那么到底什么是人工太陽呢？

核反應(yīng)

說起人工太陽，首先要來認(rèn)識(shí)一下核反應(yīng)的兩種形式：核裂變和核聚變。核裂變通常是一些質(zhì)量較重的原子核分裂成幾個(gè)原子，相繼發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放巨大能量，而核聚變則是質(zhì)量較輕的原子在高溫高壓的作用下聚合，產(chǎn)生的能量要比核裂變更加強(qiáng)大。

目前來看，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可控的核裂變和不受控的核聚變，像原子彈和核電站就是利用核裂變實(shí)現(xiàn)的，而通過核聚變研發(fā)的氫彈還需要原子彈營(yíng)造高溫高壓環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)爆炸。我們說核聚變難以控制，其實(shí)是在說很難實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)生能量的有效利用和持續(xù)穩(wěn)定輸出，而之所以在這個(gè)領(lǐng)域不斷探索，是因?yàn)楹司圩冇邢鄬?duì)于核裂變而言的不可替代的優(yōu)勢(shì)。最明顯的一點(diǎn)是，核聚變用到的燃料蘊(yùn)藏豐富，且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生輻射，不像核裂變反應(yīng)堆輻射極強(qiáng)、危害人體，還會(huì)產(chǎn)生許多難以消解的廢物。

人工太陽

由此我們?cè)噲D實(shí)現(xiàn)核聚變的控制，于是就有了人工太陽的故事。

人工太陽學(xué)名叫做國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER）裝置，是可以產(chǎn)生大規(guī)模核聚變的超導(dǎo)托卡馬克，也是當(dāng)前全球規(guī)模最大的國(guó)際科研合作項(xiàng)目，關(guān)乎著人類終極能源的開發(fā)利用。最早的時(shí)候是蘇聯(lián)和美國(guó)牽頭，到了20世紀(jì)50年代，我國(guó)就開始跟著國(guó)際的步伐，在可控核聚變研究領(lǐng)域耕耘前進(jìn)。當(dāng)時(shí)大家面臨的關(guān)鍵問題，是找到一個(gè)可以承載核聚變的容器，因?yàn)樵谌斯た刂茥l件下利用核聚變能量，等離子體溫度也會(huì)達(dá)到1億℃以上，這顯然是個(gè)難題。直到蘇聯(lián)提出的托卡馬克方案異軍突起，讓人工太陽有了新的進(jìn)展，也成了后來核裂變研究的主要方向。

我國(guó)在20世紀(jì)90年代用生活物資換得了蘇聯(lián)的T-7半超導(dǎo)托卡馬克裝置，在物質(zhì)匱乏的情況下，科研人員還實(shí)現(xiàn)了該裝置低溫系統(tǒng)的根本改良。1994年，“合肥超環(huán)”（HT-7）研制成功，這是我國(guó)第一個(gè)投入運(yùn)行的超導(dǎo)托卡馬克裝置。1998年，“HT-7U超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置”(EAST）成了我們新的目標(biāo)，這意味著全超導(dǎo)和非圓截面的結(jié)合，當(dāng)時(shí)沒有任何可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)。

但中國(guó)向來是一個(gè)敢于從無到有的國(guó)家，EAST裝置在8年自主創(chuàng)新和刻苦研發(fā)中成功落地，2006年9月實(shí)現(xiàn)了首輪高溫等離子體的獲得。2001年我國(guó)被ITER計(jì)劃拒之門外，2006年我們卻擁有了自己的人工太陽，并在此后十幾年的研究路上不斷精進(jìn)，2017年EAST以穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行刷新世界紀(jì)錄，世界各國(guó)為之驚嘆。那如今我國(guó)的人工太陽發(fā)展到什么程度了呢？

中國(guó)人工太陽發(fā)展程度

據(jù)今年6月份的報(bào)道來看，EAST已經(jīng)完成了1.6億攝氏度等離子體運(yùn)行，這是太陽溫度的十倍多，早已處于國(guó)際核聚變研究領(lǐng)域的領(lǐng)先水平，由此也能看出我國(guó)強(qiáng)大的科技實(shí)力。目前，EAST是ITER計(jì)劃的重要組成部分，我國(guó)也始終秉持著“不能關(guān)起門來搞研究”的態(tài)度，在科技領(lǐng)域的國(guó)際交流方面更是處處展現(xiàn)著大國(guó)責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。