我們?cè)诿枥L未來(lái)美好生活場(chǎng)景的時(shí)候，總會(huì)說(shuō)一句“物質(zhì)極大豐富”。什么叫物質(zhì)極大豐富？歸于一點(diǎn)便是能源可以無(wú)限供應(yīng)，并且安全、清潔、高效。
在《三體》描述的未來(lái)世界里，人類艱難突破智子的封鎖，造出了可控核聚變裝置——反應(yīng)爐中燃起的“微型太陽(yáng)”只消耗很少的燃料，就能釋放出巨大的熱量來(lái)發(fā)電，這種裝置被稱為“人造太陽(yáng)”。
那么，科幻小說(shuō)設(shè)定中的“無(wú)限能源”到底是什么？將怎樣改變?nèi)祟愂褂媚茉吹姆绞侥兀拷裉?，我們?lái)一起聊聊“人造太陽(yáng)”的那些事。
什么是“人造太陽(yáng)”？
“人造太陽(yáng)”一般指國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃，以其安全、清潔、高效、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)成為滿足未來(lái)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要技術(shù)方案。但要實(shí)現(xiàn)這一核聚變，通常要求溫度達(dá)到億度量級(jí)。
簡(jiǎn)言之就是在地球上造一個(gè)裝置，模擬太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱釋放能量，從而解決人類所面臨的能源問(wèn)題。
圖源：科技日?qǐng)?bào)
我們?yōu)槭裁匆靷€(gè)“人造太陽(yáng)”？
或許你可能會(huì)發(fā)出這樣的疑問(wèn)：已經(jīng)有一個(gè)太陽(yáng)了，為什么還非得要再造個(gè)太陽(yáng)呢？為什么又說(shuō)核聚變技術(shù)對(duì)人類至關(guān)重要？要說(shuō)清這個(gè)問(wèn)題，需要從能源說(shuō)起。
我們都知道“萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)”，地球上埋藏的煤炭、石油等化石能源實(shí)質(zhì)上也是遠(yuǎn)古生物儲(chǔ)存的太陽(yáng)能，水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生能源同樣是通過(guò)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)，而太陽(yáng)的能量正是來(lái)源于核聚變。
簡(jiǎn)單說(shuō)，核聚變就是兩個(gè)輕原子在高溫高壓的環(huán)境下相撞，聚合成一個(gè)重原子，在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量損失。根據(jù)愛(ài)因斯坦標(biāo)志性的質(zhì)能方程，能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，由于光速值巨大，即使較小的質(zhì)量損失也會(huì)轉(zhuǎn)化為巨大的能量爆發(fā)出來(lái)。
一名技術(shù)人員在美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
圖源：央視新聞
實(shí)現(xiàn)“人造太陽(yáng)”有什么意義？
如果可以駕馭核聚變的能量，人類文明有望進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段。當(dāng)前，人類已經(jīng)掌握了可控核裂變技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用的核能發(fā)電就是利用的這一技術(shù)。跟裂變相比，核聚變擁有更多優(yōu)勢(shì)：作為核聚變?cè)?，氘在地球上的含量相?dāng)豐富，易于提取。同時(shí)，可控核聚變能在自然條件下穩(wěn)定反應(yīng)，簡(jiǎn)單可控，具備本質(zhì)安全。核聚變反應(yīng)過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生輻射，核廢料也幾乎沒(méi)有放射性，不存在核泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。
核聚變工作原理
圖源：BBC
更重要的是，核聚變釋放的能量是核裂變的數(shù)倍。理論上，只需要幾克氘和氚的混合反應(yīng)物，就有可能產(chǎn)生上萬(wàn)億焦耳的能量，這相當(dāng)于一個(gè)普通人一生所需的能量。
如果我們可以模擬這個(gè)反應(yīng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)“人造太陽(yáng)”，便可一勞永逸解決能源問(wèn)題。
世界多國(guó)都在“造太陽(yáng)”
20世紀(jì)中葉，蘇聯(lián)科學(xué)家研制出了一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。這種名為托卡馬克的裝置，為可控核聚變技術(shù)的突破打開(kāi)了一扇大門(mén)。
高能粒子流經(jīng)托卡馬克形成甜甜圈形狀
圖源：微信公眾號(hào) 甲子光年
“造太陽(yáng)”，托卡馬克裝置被寄予厚望，是世界各國(guó)都在研發(fā)探索的方向。上世紀(jì)90年代，美歐日先后建成3個(gè)大的托卡馬克裝置，均實(shí)現(xiàn)在三五秒鐘的時(shí)間內(nèi)維持核聚變反應(yīng)，且可重復(fù)。這意味著，科學(xué)上的可行性在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，而中國(guó)在這方面也逐漸實(shí)現(xiàn)了“彎道超車(chē)”。
從上世紀(jì)50年代，中國(guó)開(kāi)啟核聚變研究，到1984年中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1）的建成，為中國(guó)自主設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行“人造太陽(yáng)”培養(yǎng)了大批人才，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。再到1994年，更名為“ht-7”的大科學(xué)裝置成功研制，中國(guó)成為繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國(guó)家。
現(xiàn)如今，中國(guó)已有多座成功運(yùn)行的國(guó)產(chǎn)托卡馬克裝置。
其中，中國(guó)設(shè)計(jì)的東方超環(huán)EAST，是世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，坐落于中國(guó)科學(xué)院合肥等離子體物理研究所。2021年12月，EAST實(shí)現(xiàn)1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間。
新一代“人造太陽(yáng)”（HL-2M）裝置
圖源：中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院/科技日?qǐng)?bào)
今年10月，中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”托卡馬克裝置（HL-2M）等離子體電流突破100萬(wàn)安培（1兆安），創(chuàng)造了中國(guó)可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄。
新一代“人造太陽(yáng)”的發(fā)展與前景
近期，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院傳出消息，全球最大的“人造太陽(yáng)”，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁完成首件制造，并且具備了批量制造條件。這次最新突破的關(guān)鍵部件“第一壁”，實(shí)際上是“人造太陽(yáng)”的“防火墻”，可以直接面對(duì)燃燒的上億攝氏度等離子體。這是中國(guó)在可控核聚變領(lǐng)域的巨大突破，標(biāo)志著中國(guó)全面突破“ITER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁”關(guān)鍵技術(shù)。
國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）施工現(xiàn)場(chǎng)
圖源：中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心/科技日?qǐng)?bào)
探索開(kāi)發(fā)聚變能源的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），由中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯、美國(guó)7方共同參與建造，被譽(yù)為全世界最大的“人造太陽(yáng)”。目前，ITER正在法國(guó)南部按計(jì)劃推進(jìn)，預(yù)計(jì)2025年完成。
從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的周期來(lái)看，可控核聚變是人類可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略儲(chǔ)備技術(shù)。一旦獲得突破，人類將擁有廉價(jià)、安全、清潔的能源，地球環(huán)境得到極大改善，經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)效率大幅提升，甚至星際旅行成為可能。
無(wú)論如何，人類追逐“終極能源”的腳步越來(lái)越快。蘇聯(lián)物理學(xué)家、托卡馬克之父列夫·阿齊莫維奇（Lev Artsimovich）說(shuō)過(guò)一句名言：“當(dāng)整個(gè)社會(huì)都需要的時(shí)候，聚變就會(huì)實(shí)現(xiàn)?！?/strong>
這一天，或許不再遙遠(yuǎn)。
審核：張寧 策劃：李政葳、穆子葉 撰文：雷渺鑫
參考 |科技日?qǐng)?bào)、經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)、央視財(cái)經(jīng)、中核集團(tuán)西物院、科普中國(guó)、中國(guó)經(jīng)營(yíng)報(bào)
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