已經(jīng)有一個太陽了，為啥還要研究“人造太陽”？丨大國科技范

審核專家：甘強北京理工大學講師，應用化學博士

“人造太陽”再次刷新紀錄，國產(chǎn)大型客機C919實現(xiàn)商業(yè)運營，新疆鹽堿地海鮮大豐收，醫(yī)用重離子加速器投入臨床應用，首艘國產(chǎn)大型郵輪“愛達·魔都號”試航成功，世界最深地下實驗室等待暗物質“造訪”......2023年，我國科技不斷取得新突破，為人類生活和發(fā)展帶來了新的可能性和機遇。

在建國74周年之際，數(shù)字北京科學中心為大家?guī)砹颂貏e欄目“大國科技范”，讓我們回顧一下今年在黨的領導下所取得的科技成果。

2023年8月25日，中核集團下西南物理研究院宣布，新一代“人造太陽”“中國環(huán)流三號”托卡馬克裝置（HL-2M）首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行，其以太陽內(nèi)部的核聚變反應為基礎原理，反應后可以釋放龐大的能源。

中國環(huán)流三號的CAD繪圖 來源：維基百科

這項突破是核聚變裝置綜合能力的體現(xiàn)，也是我國核聚變能開發(fā)進程中的重要里程碑。此前在2022年11月，西物院就宣布HL-2M等離子體電流首次突破100萬安培。這次實現(xiàn)的“高約束模式運行”，究竟有怎樣的意義？

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“人造太陽”的研究意義與運行原理是什么？

“人造太陽”其實是大規(guī)模熱核聚變反應堆，其核心技術為核聚變技術。核聚變是一種將輕元素（如氫）在高溫、高壓條件下融合成重元素（如氦）的過程，通過聚變反應，釋放出龐大的能量。這種通過人工聚變反應釋放能量的形式和在恒星太陽中發(fā)生的核聚變反應十分相似，因此被稱為“人造太陽”。

氘-氚的核聚變反應產(chǎn)生氦與中子 來源：維基百科

核聚變實現(xiàn)的條件十分嚴苛。在太陽中，核聚變過程是在極高溫度（數(shù)百萬攝氏度）和極高壓強下發(fā)生的，這兩種條件缺一不可，科學家們在地球上使用了強大的磁場和等離子體來模擬這些條件。

等離子體是一種高溫氣體狀態(tài)，通常是由氫同位素（如氘和氚）組成的，是由部分原子及原子團被電離后電子被剝奪產(chǎn)生的正負離子組成的離子化氣體狀物質，科學家用磁場來控制帶電的等離子體運動，防止其接觸到容器殼體，從而造成裝置損壞等嚴重后果。

為了讓等離子體達到所需的高溫，科學家們使用各種加熱系統(tǒng)，如激光、微波或射頻加熱器等。當?shù)入x子體達到足夠高的溫度和壓力時，核聚變反應開始發(fā)生。這個過程將氫同位素核融合成更重的元素，通常是氘-氚反應，產(chǎn)生氦和中子，并釋放出巨大的能量。
一旦核聚變發(fā)生，釋放出的能量需要被捕捉和利用。這些能量通過反應室周圍的熱交換設備，轉化為電能。

雖然目前尚未建成商業(yè)化的可控核聚變電站，但國際合作項目，如國際熱核聚變實驗堆（ITER），正在積極推進這一目標的實現(xiàn)。

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“人造太陽”的研究進展

“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”就是“人造太陽”的官方名稱，是全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，ITER裝置是一種超導磁約束聚變裝置，也被稱為“托卡馬克”，可用于大規(guī)模核聚變反應。中國于2003年1月正式加入ITER計劃談判，于2006年5月，中國ITER談判聯(lián)合小組與歐盟、印度等六方共同簽署了合作協(xié)定，并在2006年自行設計和研發(fā)出世界上第一個全超導磁約束聚變裝置，于2007年通過國家驗收。

我國參與ITER計劃的決策，既是為提升我國基礎物理的科研水平，也是考慮長遠的能源需求與環(huán)境情況，以確保有能力開發(fā)高效清潔的未來能源，保證我國社會可持續(xù)發(fā)展。

ITER的托卡馬克裝置的小型模型 來源：維基百科

2020年7月28日，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃重大工程啟動儀式在法國總部舉行。

2020年12月28日，韓國的超導托卡馬克高級研究開創(chuàng)了一個新的世界記錄。該超導磁約束聚變裝置成功維持了等離子體在超過1億攝氏度下的高溫狀態(tài)長達20s。

而今年5月28日的凌晨3時2分，在我國科研人員長達40年的埋頭苦干后，“中國環(huán)流三號”全超導磁約束聚變裝置在1.2億攝氏度的極高溫度下實現(xiàn)了一百零一秒的等離子體運行。甚至在溫度提升到1.6億攝氏度的恐怖溫度后，聚變裝置仍能溫度運行20秒。這是我國在可控核聚變領域取得的重大科技進步，也是在全球科研與工程領域邁出的重要一步。

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未來的機遇與挑戰(zhàn)

“人造太陽”所運用的可控核聚變技術，是基礎物理領域的重大難關。核聚變的研究和應用是一項龐大、復雜的科學和工程挑戰(zhàn)，在全球范圍內(nèi)，數(shù)以千計的科學家和工程師夜以繼日協(xié)同配合，尋幽探秘，花費了幾十年的光陰對可控核聚變核心技術不懈探索，也耗費了巨大的物質和人力資源。然而，當今可控核聚變?nèi)匀淮嬖谥恍┬枰獜浹a的空間和困難。

①電能的巨大需求與損耗

要控制“人造太陽”中的高溫等離子體，就需要一個巨大的磁場。以國際熱核聚變反應堆（IETR）為例，其磁場高達13萬高斯，維持這種強度的磁場就需要往導體中通入巨大的電流。由于電阻的存在，導體發(fā)熱十分嚴重，這就會造成巨大的電能損耗。而目前的超導材料大都需要高壓低溫的環(huán)境，這就使得一個“人造太陽”中出現(xiàn)了“冰火兩重天”，很難實現(xiàn)。

懸浮的超導材料 來源：維基百科

② 能量輸入和輸出平衡

在可控核聚變中，必須確保能量輸入大于等于輸出，以維持核聚變過程，這也被稱為“勞森判據(jù)”。這就要求工程人員在投入大量的能量加熱等離子體的同時，要收集和轉化產(chǎn)生的能量。

③材料的耐受性

目前，等離子體產(chǎn)生的高能中子會損害殼體和其他材料。因此，材料學家仍需要開發(fā)新的材料，以提高它們的輻照耐受性，以便反應堆能夠長期穩(wěn)定運行。

④控制等離子體

等離子體是一種高度不穩(wěn)定的狀態(tài)，其內(nèi)部的溫度和壓力在空間上分布也不均勻，這會導致等離子體非常不穩(wěn)定。科學家研究更穩(wěn)妥的方式實現(xiàn)精確控制，以防止其漂移、扭曲或磁場失穩(wěn)。

⑤大規(guī)模資金

要進行可控核聚變研究需要建設龐大的實驗室，如國際熱核聚變實驗堆（ITER），這需要龐大的資金和國際協(xié)作。這些建設是為了容納復雜的設備和大規(guī)模的實驗，以模擬核聚變反應。

聚變能源擁有原料無盡、零環(huán)境污染、以及不產(chǎn)生高放射性核廢料等諸多優(yōu)勢，因此被認為是未來人類能源的主要前景之一。研究“人造太陽”就是人類在尋找新型能源過程中邁出的關鍵一步。

盡管存在這些困難和挑戰(zhàn)，科學家們正在不斷改進技術設備，朝著實現(xiàn)可控核聚變的目標邁出堅實的步伐，我們有望在不久的將來取得更多的突破，為解決能源問題和減緩氣候變化提供更多的選擇。