中國人造太陽(yáng)是怎么造出來(lái)的

有一部小說(shuō)叫《中國太陽(yáng)》，講的是農村小伙兒水娃不斷奮斗，借助“中國太陽(yáng)”工程成為深空宇宙開(kāi)拓者，為人類(lèi)解決能源問(wèn)題的故事。

現實(shí)中，中國真的有“人造太陽(yáng)”，而且有兩個(gè)：一個(gè)在安徽合肥西郊“科學(xué)島”上的中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院內，是有著(zhù)“東方超環(huán)”之稱(chēng)的全超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)EAST)；另一個(gè)則是位于四川成都中核集團核工業(yè)西南物理研究院的中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)。

5月28日，“東方超環(huán)”再次刷新了世界紀錄：在其第98958次放電中，成功實(shí)現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，是1億攝氏度20秒原紀錄的5倍。這意味著(zhù)人類(lèi)讓核聚變成為未來(lái)清潔新能源的努力，又一次取得了突破性進(jìn)展，標志著(zhù)我國在穩態(tài)高參數磁約束聚變研究領(lǐng)域將繼續引領(lǐng)國際前沿。

那么，為什么有了太陽(yáng)，還要造“太陽(yáng)”？“人造太陽(yáng)”長(cháng)什么樣？是怎么造出來(lái)的？記者帶您一起探訪(fǎng)——

理想的“終極能源” 一旦掌握了核聚變能，人類(lèi)將實(shí)現“能源自由”

煤、石油、天然氣，這些人類(lèi)賴(lài)以生存的不可再生能源終有一天將被耗盡。人類(lèi)面臨著(zhù)嚴重的能源危機和環(huán)境危機。如何從根本上解決這一問(wèn)題？尋找新能源。

萬(wàn)物生長(cháng)靠太陽(yáng)?？梢哉f(shuō)，太陽(yáng)是地球**的能量來(lái)源，它的表面溫度約6000攝氏度，內核溫度約1500萬(wàn)攝氏度，像一個(gè)熊熊燃燒的大火球，每秒鐘可散發(fā)出相當于1億億噸煤炭完全燃燒產(chǎn)生的能量。

太陽(yáng)為什么能產(chǎn)生這么大的能量？因其內部持續不斷的核聚變反應。而支撐這種聚變反應的主要原材料氘，在地球上的儲量極其豐富。

據測算，從1升海水中提煉出的氘，經(jīng)核聚變反應后釋放的能量相當于300升汽油燃燒的能量。而海洋中蘊藏著(zhù)約40萬(wàn)億噸氘，理論上用于聚變反應釋放的能量足夠人類(lèi)使用上百億年，幾乎無(wú)窮無(wú)盡。

由此，模仿太陽(yáng)聚變反應原理造一個(gè)“太陽(yáng)”，被科學(xué)家們認為是解決人類(lèi)能源危機的**方案。

核聚變的原理是由質(zhì)量較小的原子——如氫的同位素氘、氚，在極高溫條件下使核外電子擺脫原子核的束縛，兩個(gè)原子核相互碰撞聚合，生成新的質(zhì)量更重的原子核氦，由于質(zhì)量虧損和質(zhì)能轉換，釋放巨大的能量。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，地球上‘最容易’實(shí)現的氘氚核聚變反應的最終生成物是氦和攜帶能量的中子，而氦是非常清潔的?！敝袊茖W(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所的鄢容博士告訴記者，這是一種清潔能源，沒(méi)有碳排放，沒(méi)有放射性廢料，也不會(huì )出現燃料棒熔斷的災難，比風(fēng)能和太陽(yáng)能穩定，被認為是一種理想的“終極能源”?！耙坏┱莆樟撕司圩兡?，人類(lèi)將實(shí)現‘能源自由’?！?/span>

受益的無(wú)疑是整個(gè)人類(lèi)社會(huì )。

形似“甜甜圈”，擁有“超燃”內核 超高溫、超低溫、超高真空、超強磁場(chǎng)、超大電流等極端環(huán)境“熔于一爐”

從上世紀50年代開(kāi)始，世界科學(xué)家們便開(kāi)始了在可控核聚變領(lǐng)域的研究。

通過(guò)科研人員的不懈努力，1994年，我國第一個(gè)圓截面超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置“合肥超環(huán)”(HT-7)研制成功，使我國成為繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有超導托卡馬克裝置的國家，也是我國建成并投入運行的**超導托卡馬克裝置。

這次創(chuàng )造新的世界紀錄的主角——EAST則是在“合肥超環(huán)”基礎上，由我國科學(xué)家自主研發(fā)的世界上第一個(gè)全超導磁體、非圓截面托卡馬克實(shí)驗裝置，主體部分高11米、直徑8米、重400多噸。

如此一個(gè)龐然大物，到底長(cháng)什么樣？有人說(shuō)像一個(gè)巨大的罐子，有人說(shuō)像一個(gè)大鍋爐，還有人說(shuō)像一個(gè)超大號的高壓鍋。而在致力于核聚變研究40年的中國工程院院士李建剛看來(lái)，EAST就像我們吃的甜甜圈一樣。

不過(guò)這個(gè)“甜甜圈”與眾不同，由真空室、縱場(chǎng)線(xiàn)圈、極向場(chǎng)線(xiàn)圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成，四周布滿(mǎn)了大大小小的輔助加熱、診斷、抽氣和冷卻裝置，零件數量相當于5架波音777飛機的零件總和。而且擁有“超燃”內核——超高溫、超低溫、超高真空、超強磁場(chǎng)、超大電流等極端環(huán)境“熔于一爐”。

這是一個(gè)“超難”的集合體。

據鄢容博士介紹，想實(shí)現聚變反應，首先要達到1億攝氏度以上，使聚變燃料完全電離，并在保證等離子體密度的前提下，將高溫等離子體維持相對足夠長(cháng)的時(shí)間，才可能釋放出足夠多的能量?！巴锌R克的高溫物質(zhì)，就像是一群正在嬉戲打鬧的淘氣孩子，很難控制。溫度、密度、時(shí)間這三個(gè)要素缺一不可，相互協(xié)調到**狀態(tài)，才能實(shí)現穩態(tài)約束?！?/span>

實(shí)現上億攝氏度點(diǎn)火是實(shí)現核聚變發(fā)電的兩大難點(diǎn)之一。上億攝氏度是什么概念？相當于太陽(yáng)核心溫度的6.67倍。

為了實(shí)現如此高溫，科學(xué)家們采用了微波、中性束等多種加熱手段?！凹矣梦⒉t的功率是500瓦左右，而EAST總功率有34兆瓦，相當于約6.8萬(wàn)臺家用微波爐一起加熱?！敝锌圃汉戏饰镔|(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所王騰博士說(shuō)。

然而，目前地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度是3000多攝氏度。用什么承載上億攝氏度的高溫等離子體？科學(xué)家們的方法是用磁場(chǎng)做成“籠子”，把那團上億度的火球懸浮起來(lái)，使所有電離了的等離子體只能沿著(zhù)磁力線(xiàn)運動(dòng)，不讓它與周邊的任何容器材料接觸，從而保護裝置材料不被燒毀。據鄢容博士介紹，EAST由16個(gè)縱場(chǎng)線(xiàn)圈、14個(gè)極向場(chǎng)線(xiàn)圈構成，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度是地球磁場(chǎng)強度的近7萬(wàn)倍。

為了達到強磁場(chǎng)，“人造太陽(yáng)”還需要超過(guò)12000安培的超大電流，強度是普通家用空調的數千倍，而承載大電流的線(xiàn)圈工作在零下269攝氏度的超低溫度，就在距離1億攝氏度高溫約1米遠的地方，上演了現實(shí)版的“冰火兩重天”?！斑@就需要實(shí)現地表大氣壓約一千億分之一強度的‘超高真空’來(lái)‘隔熱’?！笨蒲腥藛T介紹說(shuō)。

自立自強，“超級材料”中國造 盼望核聚變點(diǎn)亮的第一盞燈在中國

“超高溫”與“超低溫”共存，“超強磁場(chǎng)”與“超大電流”并行，要在地球上造出“人造太陽(yáng)”，必須要有性能極其特殊的材料承載。超導便是其中之一。

“超導是一種在特殊條件下電阻為零的材料，利用這一特性可以避免導體發(fā)熱，實(shí)現‘人造太陽(yáng)’的長(cháng)時(shí)間運行?！崩罱▌傉f(shuō)，當年中國啟動(dòng)研制“人造太陽(yáng)”的時(shí)候，超導技術(shù)控制在少數發(fā)達國家手中，向國外購買(mǎi)超導材料，有的出爾反爾不賣(mài)，有的開(kāi)價(jià)高，還只賣(mài)三流產(chǎn)品。

材料被“卡脖子”，怎么辦？我國科學(xué)家決定自己做。

邊建設邊研發(fā)。從超導材料、超導接頭、超導配線(xiàn)，到大型磁體系統……如今我國已擁有世界先進(jìn)的超導技術(shù)?！翱梢哉f(shuō)，研制‘人造太陽(yáng)’，也推動(dòng)中國的超導材料產(chǎn)業(yè)前進(jìn)了20年?！敝锌圃汉戏饰镔|(zhì)科學(xué)研究院副院長(cháng)、等離子體物理研究所所長(cháng)宋云濤介紹，如今中國已成為世界上超導材料的**出口國，從被“卡脖子”的對象成為主供應商。

除此之外，還衍生出一系列重要的創(chuàng )新成果，在低溫技術(shù)、等離子體技術(shù)、生物技術(shù)、材料技術(shù)、機器人技術(shù)等多個(gè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)板塊，推動(dòng)一大批高新技術(shù)成果實(shí)現轉移轉化。

隨著(zhù)EAST研制工作推進(jìn)，2003年，我國正式以“平等伙伴”身份加入了國際熱核聚變實(shí)驗堆(ITER)計劃。但在2001年之前，這個(gè)“俱樂(lè )部”一直將我國拒之門(mén)外。通過(guò)科研人員的不懈努力，如今，我們實(shí)現了從“跟跑”“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越，走向了世界聚變舞臺的中心。

去年7月至今年4月底，EAST迎來(lái)了新一輪改造升級。此次實(shí)驗實(shí)現1.2億攝氏度101秒等離子體運行，是我國在國際上**采用全金屬主動(dòng)水冷第一壁、高性能鎢偏濾器等關(guān)鍵技術(shù)?！拔覀兺ㄟ^(guò)高功率的射頻波加熱，通過(guò)主動(dòng)水冷偏濾器，通過(guò)精密的等離子體控制，特別是等離子體與材料強相互作用這一方面，克服了許多工程和技術(shù)方面的難題，使得EAST性能得到了很大的提高，這是取得這一次成績(jì)的一個(gè)重要的保障。這一成績(jì)的取得，也標志著(zhù)我國在穩態(tài)高參數磁約束聚變研究領(lǐng)域處在國際**水平?！敝锌圃汉戏饰镔|(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所托卡馬克物理研究室主任龔先祖說(shuō)，這進(jìn)一步證明核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定物理和工程基礎。

李建剛說(shuō)：“我**的夢(mèng)想就是在有生之年，讓世界第一個(gè)核聚變反應堆率先在中國發(fā)電，一盞盞燈泡被核聚變能點(diǎn)亮，而且點(diǎn)亮的第一盞燈泡一定要在中國?！?/span>

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