人造太阳：向人类终极能源迈进

 

【导语】“可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。”这是一种豪情与诗意，也是当今中国正创造的奇迹。中国人对未知的好奇、对探索的渴望、对困境的思考以及对美好未来的期待，推开了一扇扇崭新世界的大门：空间探测、生物医药、人工智能、量子科学……中国科技创新的步伐从未停止。正如习近平总书记所说，一切伟大成就都是持续奋斗的结果，一切伟大事业都需要在继往开来中推进。新时代必将是大有可为的时代。

 

俗话说，万物生长靠太阳。在太阳内部无时无刻不在发生着核聚变，为大自然带来最普遍的能量来源。所谓“人造太阳”，并不是我们习惯意义上宇宙当中的那个太阳，而是指利用太阳发光发热的原理——核聚变反应，在地球上建造一套核聚变装置，像太阳一样发生核聚变反应，从而源源不断地产生能量。

 

多年以来，模拟太阳聚变反应原理再造一个“太阳”，被公认为是解决人类能源危机的最佳方案，有望一劳永逸地解决人类面临的能源短缺问题。令人兴奋的是，中国在利用受控核聚变技术建设“人造太阳”方面已经走在世界前列。曾经儿歌里唱的“种太阳”，正在一点点变成现实。

 

 

2021年4月13日拍摄的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。（图源：新华社）

 

点燃“人造太阳”的曙光

 

太阳是距离人类最近的恒星，实际上就是一个超级核聚变反应堆，其内部每秒就有6亿吨氢通过聚变反应转化为氦，在这个过程中大约有420万吨的净能量释放到宇宙中，相当于3.78×10^26焦耳的能量。地球仅从中获得了22亿分之一1.72×10^17焦耳，相当于每秒约19公斤的净能量释放，就造就了宜居的地球生态系统，可见核聚变能源之强大。

 

 

2018年8月29日，科研人员在进行EAST装置内部检查。（图源：新华社）

 

“人造太阳”重要性体现在哪里?这要从核聚变能的优点说起。核能包含核裂变能和核聚变能两种主要形式。相较于在核电站中成熟应用的核裂变，核聚变没有放射性。支持核聚变的原料是氘和氚，反应的生成物是氦气，对环境无害，一旦造成反应的等离子体熄灭，聚变反应会终止。核聚变的原料储量也很丰富，氘可以直接在海水中提取，氚则可以通过中子和锂反应产生。据估算，一升海水中提炼出来的氘经过核聚变反应释放出的能量相当于300升汽油完全燃烧释放的能量。核聚变能凭借资源无限、清洁环保，不产生高放射性核废料等优点，是目前认识到的、可以最终解决全球能源问题的重要途径之一。一旦人类掌握了核聚变能，将拥有可使用上百亿年的清洁能源。

 

不过要让核聚变成为能量来源，现实操作并不容易。从20世纪50年代开始，中国与国际基本同步开始了在可控核聚变领域的研究。20世纪90年代初期，中国用价值400万人民币的羽绒服、牛仔裤、瓷器等生活物资，换来了苏联价值1800万卢布的T-7的半超导托卡马克装置。经过科研人员的不懈努力，1994年12月，由T-7改造成的超导托卡马克装置HT-7首次获得等离子体，成为中国第一个超导托卡马克，也使中国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家。

 

中国有两个“人造太阳”

 

 

2020年7月19日，中核集团核工业西南物理研究院的工作人员在安装调试中国环流器二号M装置（HL-2M）时进行环向场线圈外弧段吊装工作。（图源：新华社）

 

尽管可控核聚变技术和托卡马克装置最早起源于国外，但中国已经实现了后来者居上，处于国际领先地位。如今，中国不仅有“人造太阳”，而且有两个：一个在安徽合肥西郊“科学岛”上的中国科学院合肥物质科学研究院内，是有着“东方超环”之称的世界第一台全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST);另一个则是位于四川成都中核集团核工业西南物理研究院的中国环流器二号M装置(HL-2M)。

 

2016年2月，EAST就实现了电子温度达到5000万摄氏度持续时间最长的等离子体放电;2021年5月28日，EAST创造了可重复的1.2亿摄氏度的高温，并且持续了101秒，同时还实现了1.6亿摄氏度持续20秒的运行。2021年12月30日，EAST又实现了7000万摄氏度高温下1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，打破了自己保持的世界纪录，标志着中国在可控核聚变研究上处于世界领先水平。

 

 

“人造太阳”1.2亿摄氏度成功“燃烧”100秒时，内部的红外影像。（图源：中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）

 

在研制EAST过程中，许多关键技术取得突破并达到国际先进水平，同时也填补了多项国内空白：大型超导磁体关键制造技术的研发，成功地生产出了EAST所需的全部超导磁体;创造性地设计、建成了国内最大的大型超导磁体测试实验系统;创新性地设计、建造了我国最大的氦低温系统……

 

更重要的是，依托这些科学装置，中国科研人员还参加了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一——国际热核聚变实验堆计划(ITER)。这是全球最大的实验性托卡马克核聚变反应堆装置，集成了当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步。包含中国在内的多个国家参与了这个国家大科学项目，举多国合力向受控聚变实验堆迈进。此外，我国还有在建的中国聚变工程实验堆 (CEFTR)，预计将在2050年建设成为可控核聚变商业示范堆。

 

“人造太阳”未来已然可期

 

 

2021年5月28日拍摄的的EAST控制大厅。（图源：新华社）

 

大科学装置集高精尖技术于一身，其承载的意义早已不止追求科学目标本身。在“人造太阳”这座大科学装置的牵引下，衍生出了一系列重要的创新成果，形成了超导技术、低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块，推动一大批高新技术成果实现转移转化。

 

比如，质子和重离子放疗是目前国际公认最尖端的放射治疗技术，一直被发达国家所垄断。等离子体所利用大科学装置的超导技术，积极研制国内首套具有自主知识产权的医用超导质子癌症治疗系统，将大幅降低患者治疗费用。

 

此外，等离子体还能治疗皮肤病，有广谱抗菌、加速凝血、促进细胞增殖、无耐药性及副作用等优点;等离子体所将大科学装置离子束技术引入生物学科，致力于微生物新菌种的创制、发酵调控、产物分离分析及终端产品的研究和产业转化。

 

据介绍，中国的核聚变研究与国际基本同步，甚至在聚变某些技术领域确立了领跑地位，在超导、稳态控制、加热等方面巩固了中国特色。有国外期刊称赞“中国创造了聚变历史”“在这里科学价值得到极大体现”。

 

回望人类认识核聚变这一路，中国从未落后、从未停滞、不断超越，已经走到国际研究的最前沿。未来，可控核聚变终将成为现实，到那时，我们将拥有取之不尽、用之不竭、清洁安全的能源。(资料来源：中国科学院、央视新闻、人民日报、新华日报、科技日报)