去年年底，我國(guó)“人造太陽(yáng)”獲重大突破，EAST裝置實(shí)現(xiàn)了一億攝氏度等離子體運(yùn)行等多項(xiàng)重大突破，獲得的實(shí)驗(yàn)參數(shù)接近未來(lái)聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式所需的物理?xiàng)l件。坐標(biāo)安徽中科院物質(zhì)科學(xué)研究院的“人造太陽(yáng)”項(xiàng)目沉寂多日，再次強(qiáng)勢(shì)回歸大眾視野。正如外媒報(bào)道所說(shuō)，中國(guó)正一步步邁向人類最狂野的能源夢(mèng)想。 


（圖片來(lái)源：新華社新聞客戶端） 

　　  

　　何為“人造太陽(yáng)”？ 

　　“人造太陽(yáng)”有著和恒星太陽(yáng)相同的核聚變原理。核聚變是指在一定條件下，質(zhì)量較輕的原子核發(fā)生聚合生成質(zhì)量較重的原子核，這一過(guò)程又稱為熱核反應(yīng)。 


（圖為聚變粒子示意圖，圖片來(lái)源： 

https://gss3.bdstatic.com） 

　　想要在地球上實(shí)現(xiàn)核聚變不是件容易的事情。首先，要使核聚變反應(yīng)的燃料處于等離子體態(tài)。等離子體是一種充分電離的、整體呈電中性的氣體。其次，熱核反應(yīng)，顧名思義，需要很高的溫度。高溫能夠使等離子體中的電子獲得能量從而擺脫原子核的束縛，實(shí)現(xiàn)原子核的完全裸露，為原子核的碰撞做好準(zhǔn)備。此外，要想讓這種聚變反應(yīng)穩(wěn)定、持續(xù)的進(jìn)行還需要足夠的密度和熱能來(lái)約束時(shí)間。 

　　等離子體的溫度、密度和熱能三者的乘積稱為“聚變?nèi)胤e”，當(dāng)它達(dá)到10的22次方時(shí)，聚變反應(yīng)輸出的功率才能與為驅(qū)動(dòng)這一反應(yīng)而輸入的功率相等。只有“聚變?nèi)胤e”超過(guò)10的22次方時(shí)，聚變反應(yīng)才能自持進(jìn)行。可想而知，實(shí)現(xiàn)聚變?nèi)胤e中的任意一個(gè)條件都要付出極大的代價(jià)和努力。 


（圖為聚變?nèi)胤e函數(shù)圖，圖片來(lái)源： 

Dstrozzi - Own work, CC BY-SA 3.0 

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12380921） 

　　  

　　執(zhí)著于發(fā)展核聚變是為什么？ 

　　你可能會(huì)好奇，我們已經(jīng)很好地掌握了核裂變，為什么還有如此堅(jiān)定執(zhí)著地追逐核聚變的腳步？其實(shí)，雖然裂變技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，但其燃料往往很難獲得（例如鈾等錒系元素一般產(chǎn)生于中子星合并過(guò)程，因此儲(chǔ)量十分有限。）此外，裂變產(chǎn)物中往往存在著大量的長(zhǎng)半衰期放射性物質(zhì)，因此核廢料需要特殊處理以避免放射性污染。這些問(wèn)題都限制了裂變堆的潛力。而與核裂變有著相反核反應(yīng)形式的核聚變卻有著兩大好處：不僅燃料量大管飽，還干凈衛(wèi)生。 

　　地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量非常大。用愛(ài)因斯坦的公式計(jì)算，一升海水可提煉出1/6克的氘，而地球上的海水所能提煉出來(lái)的氘可以讓一千個(gè)聚變電站使用上百億年。至于氚，雖然少，實(shí)際聚變過(guò)程中卻并不被凈消耗，而是以類似催化劑的形式循環(huán)利用。 

　　而且，聚變的產(chǎn)物基本上是穩(wěn)定的同位素，無(wú)輻射污染。少量的中子輻照帶來(lái)的活化也很好處理，基本上可以認(rèn)為是一種無(wú)污染的能源。 

　　然而，在人們驚喜于核聚變能帶來(lái)的種種好處時(shí)，我們必須意識(shí)到更重要的一點(diǎn)：這些好處的實(shí)現(xiàn)需要可控核聚變作為前提。人類早已實(shí)現(xiàn)非可控聚變，那兩枚投向日本的原子彈為人類帶來(lái)的并不是福音，而是那聲令人沉思的深深嘆息。非可控聚變就像雷電一樣，如此巨大的能量只能破壞而不能利用實(shí)在可惜。 

　　  

　　怎么約束聚變反應(yīng)？ 

　　目前，可控核聚變理論模型主要有三種：重力約束、慣性約束、磁約束。而國(guó)際上主流研究方向則是磁約束。磁約束利用強(qiáng)磁場(chǎng)約束帶電粒子，大幅度地減小帶電粒子橫越磁力線擴(kuò)散和導(dǎo)熱的特性，使處在磁場(chǎng)中的高溫等離子體的芯部與容器的器壁隔離開(kāi)，構(gòu)造反應(yīng)腔，從而實(shí)現(xiàn)將聚變材料加熱至數(shù)億攝氏度高溫的技術(shù)要求，進(jìn)行聚變反應(yīng)。 

　　目前性能最好的一種磁約束裝置便是托卡馬克裝置tokamak，俄文原意為“環(huán)流器”，它的名字來(lái)源于環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、線圈(kotushka）,而這個(gè)了不起的“面包圈”的組成正如名字所包含的那樣，主要包括磁體（環(huán)向場(chǎng)磁體及極向場(chǎng)磁體）、真空室及其抽氣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)（裝置控制和等離子體控制）、加熱與電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（中性束和微波）、噴氣及彈丸注入系統(tǒng)、偏濾器及孔闌、診斷和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、包層系統(tǒng)、氚系統(tǒng)、輻射防護(hù)系統(tǒng)、遙控操作與維修系統(tǒng)等部件（子系統(tǒng)）。 


（圖為托卡馬克裝置示意圖，圖片來(lái)源： 

http://www.ipp.ac.cn/dakexuegongcheng/east/201010/W020110119680511208494.gif） 

　　我國(guó)的EAST裝置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）全稱為“全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置”，是中科院等離子體所自主設(shè)計(jì)研制的磁約束核聚變裝置， 2017年達(dá)成101.2 秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行記錄，2018年達(dá)成1億攝氏度等離子放電運(yùn)行成就。 

　　  

　　一億攝氏度！什么概念？ 

　　比太陽(yáng)還要火熱的不是戀人之間的愛(ài)情，也不是夏日墨西哥女郎紅裙的風(fēng)采，是我們的“人造太陽(yáng)”！太陽(yáng)中心溫度約為兩千萬(wàn)攝氏度，一億度的“人造太陽(yáng)”將近它的五倍。 

　　看到這里，相信不少人都要發(fā)問(wèn)，這么高的溫度，即使磁約束裝置已經(jīng)使等離子體不接觸容器壁，但散發(fā)的熱量難道不會(huì)把線圈熔化嗎？ 

　　有關(guān)溫度，我們澄清一個(gè)誤解:科學(xué)溫度計(jì)算法和我們生活有很大不同。4萬(wàn)億度的極少量物質(zhì)并不危險(xiǎn)。如果水溫達(dá)到50多度，我們就會(huì)感覺(jué)很燙;但在氣霧加熱室80多度的空間中，我們連熱都感覺(jué)不到。這是因?yàn)榭諝庵械母邷亓Ｗ优c我們皮膚接觸量少之又少。兩者粒子量相差上萬(wàn)倍。 

　　還有一個(gè)更極端的例子:在距離太陽(yáng)系2億光年的scne4623星云中，溫度可達(dá)4億度。但由于原子含量只有兩千萬(wàn)分之一/立方厘米，所以我們?cè)谄渲懈静粫?huì)感覺(jué)熱。同樣的，加速器中的粒子也不會(huì)融化線圈。 

（圖為部分天體赫羅圖，橫軸為溫度，圖片來(lái)源：ESO - https://www.eso.org/public/images/eso0728c/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19915788） 

　　去年，我國(guó)的嫦娥四號(hào)發(fā)射升空，俄羅斯啟動(dòng)載人奔月計(jì)劃，美國(guó)也在太空軍的建立部署上有所動(dòng)作。而掌握可控聚變能源是進(jìn)軍外太空不得不解鎖的技能。《三體》中描述未來(lái)：“從此以后，能源不再是什么需要珍惜的東西了。”這是我們最狂野的能源夢(mèng)想。 

　　在此我們向那些在開(kāi)辟能源新紀(jì)元領(lǐng)域上下求索、“夸父逐日”的科學(xué)家們致敬！ 　　  

21世紀(jì)，夸父逐日的故事仍在繼續(xù)

圖文簡(jiǎn)介

摘要：去年年底，我國(guó)“人造太陽(yáng)”獲重大突破，EAST裝置實(shí)現(xiàn)了一億攝氏度等離子體運(yùn)行等多項(xiàng)重大突破，獲得的實(shí)驗(yàn)參數(shù)接近未來(lái)聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式所需的物理?xiàng)l件。坐標(biāo)安徽中科院物質(zhì)科學(xué)研究院的“人造太陽(yáng)”項(xiàng)目沉寂多日，再次強(qiáng)勢(shì)回歸大眾視野。正如外媒報(bào)道所說(shuō)，中國(guó)正一步步邁向人類最狂野的能源夢(mèng)想。