人造太陽：向人類終極能源邁進

 

【導語】“可上九天攬月，可下五洋捉鱉，談笑凱歌還。”這是一種豪情與詩意，也是當今中國正創造的奇跡。中國人對未知的好奇、對探索的渴望、對困境的思考以及對美好未來的期待，推開了一扇扇嶄新世界的大門：空間探測、生物醫藥、人工智能、量子科學……中國科技創新的步伐從未停止。正如習近平總書記所説，一切偉大成就都是持續奮鬥的結果，一切偉大事業都需要在繼往開來中推進。新時代必將是大有可為的時代。

 

俗話説，萬物生長靠太陽。在太陽內部無時無刻不在發生著核聚變，為大自然帶來最普遍的能量來源。所謂“人造太陽”，並不是我們習慣意義上宇宙當中的那個太陽，而是指利用太陽發光發熱的原理——核聚變反應，在地球上建造一套核聚變裝置，像太陽一樣發生核聚變反應，從而源源不斷地産生能量。

 

多年以來，模擬太陽聚變反應原理再造一個“太陽”，被公認為是解決人類能源危機的最佳方案，有望一勞永逸地解決人類面臨的能源短缺問題。令人興奮的是，中國在利用受控核聚變技術建設“人造太陽”方面已經走在世界前列。曾經兒歌裏唱的“种太陽”，正在一點點變成現實。

 

 

2021年4月13日拍攝的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）。（圖源：新華社）

 

點燃“人造太陽”的曙光

 

太陽是距離人類最近的恒星，實際上就是一個超級核聚變反應堆，其內部每秒就有6億噸氫通過聚變反應轉化為氦，在這個過程中大約有420萬噸的凈能量釋放到宇宙中，相當於3.78×10^26焦耳的能量。地球僅從中獲得了22億分之一1.72×10^17焦耳，相當於每秒約19公斤的凈能量釋放，就造就了宜居的地球生態系統，可見核聚變能源之強大。

 

 

2018年8月29日，科研人員在進行EAST裝置內部檢查。（圖源：新華社）

 

“人造太陽”重要性體現在哪?這要從核聚變能的優點説起。核能包含核裂變能和核聚變能兩種主要形式。相較于在核電站中成熟應用的核裂變，核聚變沒有放射性。支持核聚變的原料是氘和氚，反應的生成物是氦氣，對環境無害，一旦造成反應的等離子體熄滅，聚變反應會終止。核聚變的原料儲量也很豐富，氘可以直接在海水中提取，氚則可以通過中子和鋰反應産生。據估算，一升海水中提煉出來的氘經過核聚變反應釋放出的能量相當於300升汽油完全燃燒釋放的能量。核聚變能憑藉資源無限、清潔環保，不産生高放射性核廢料等優點，是目前認識到的、可以最終解決全球能源問題的重要途徑之一。一旦人類掌握了核聚變能，將擁有可使用上百億年的清潔能源。

 

不過要讓核聚變成為能量來源，現實操作並不容易。從20世紀50年代開始，中國與國際基本同步開始了在可控核聚變領域的研究。20世紀90年代初期，中國用價值400萬人民幣的羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換來了蘇聯價值1800萬盧布的T-7的半超導托卡馬克裝置。經過科研人員的不懈努力，1994年12月，由T-7改造成的超導托卡馬克裝置HT-7首次獲得等離子體，成為中國第一個超導托卡馬克，也使中國成為繼俄、法、日之後第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家。

 

中國有兩個“人造太陽”

 

 

2020年7月19日，中核集團核工業西南物理研究院的工作人員在安裝調試中國環流器二號M裝置（HL-2M）時進行環向場線圈外弧段吊裝工作。（圖源：新華社）

 

儘管可控核聚變技術和托卡馬克裝置最早起源於國外，但中國已經實現了後來者居上，處於國際領先地位。如今，中國不僅有“人造太陽”，而且有兩個：一個在安徽合肥西郊“科學島”上的中國科學院合肥物質科學研究院內，是有著“東方超環”之稱的世界第一台全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST);另一個則是位於四川成都中核集團核工業西南物理研究院的中國環流器二號M裝置(HL-2M)。

 

2016年2月，EAST就實現了電子溫度達到5000萬攝氏度持續時間最長的等離子體放電;2021年5月28日，EAST創造了可重復的1.2億攝氏度的高溫，並且持續了101秒，同時還實現了1.6億攝氏度持續20秒的運行。2021年12月30日，EAST又實現了7000萬攝氏度高溫下1056秒的長脈衝高參數等離子體運行，打破了自己保持的世界紀錄，標誌著中國在可控核聚變研究上處於世界領先水準。

 

 

“人造太陽”1.2億攝氏度成功“燃燒”100秒時，內部的紅外影像。（圖源：中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所）

 

在研製EAST過程中，許多關鍵技術取得突破並達到國際先進水準，同時也填補了多項國內空白：大型超導磁體關鍵製造技術的研發，成功地生産出了EAST所需的全部超導磁體;創造性地設計、建成了國內最大的大型超導磁體測試實驗系統;創新性地設計、建造了我國最大的氦低溫系統……

 

更重要的是，依託這些科學裝置，中國科研人員還參加了目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一——國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)。這是全球最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆裝置，集成了當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學和技術成果，是人類受控核聚變研究走向實用的關鍵一步。包含中國在內的多個國家參與了這個國家大科學項目，舉多國合力向受控聚變實驗堆邁進。此外，我國還有在建的中國聚變工程實驗堆 (CEFTR)，預計將在2050年建設成為可控核聚變商業示範堆。

 

“人造太陽”未來已然可期

 

 

2021年5月28日拍攝的的EAST控制大廳。（圖源：新華社）

 

大科學裝置集高精尖技術于一身，其承載的意義早已不止追求科學目標本身。在“人造太陽”這座大科學裝置的牽引下，衍生出了一系列重要的創新成果，形成了超導技術、低溫技術、等離子體技術、生物技術、材料技術、機器人技術等多個産業技術板塊，推動一大批高新技術成果實現轉移轉化。

 

比如，質子和重離子放療是目前國際公認最尖端的放射治療技術，一直被發達國家所壟斷。等離子體所利用大科學裝置的超導技術，積極研製國內首套具有自主知識産權的醫用超導質子癌症治療系統，將大幅降低患者治療費用。

 

此外，等離子體還能治療皮膚病，有廣譜抗菌、加速凝血、促進細胞增殖、無耐藥性及副作用等優點;等離子體所將大科學裝置離子束技術引入生物學科，致力於微生物新菌種的創制、發酵調控、産物分離分析及終端産品的研究和産業轉化。

 

據介紹，中國的核聚變研究與國際基本同步，甚至在聚變某些技術領域確立了領跑地位，在超導、穩態控制、加熱等方面鞏固了中國特色。有國外期刊稱讚“中國創造了聚變歷史”“在這裡科學價值得到極大體現”。

 

回望人類認識核聚變這一路，中國從未落後、從未停滯、不斷超越，已經走到國際研究的最前沿。未來，可控核聚變終將成為現實，到那時，我們將擁有取之不盡、用之不竭、清潔安全的能源。(資料來源：中國科學院、央視新聞、人民日報、新華日報、科技日報)