來源：北京科學(xué)中心
審核專家：甘強(qiáng)北京理工大學(xué)講師，應(yīng)用化學(xué)博士
“人造太陽(yáng)”再次刷新紀(jì)錄，國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)C919實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)，新疆鹽堿地海鮮大豐收，醫(yī)用重離子加速器投入臨床應(yīng)用，首艘國(guó)產(chǎn)大型郵輪“愛達(dá)·魔都號(hào)”試航成功，世界最深地下實(shí)驗(yàn)室等待暗物質(zhì)“造訪”......2023年，我國(guó)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(jī)遇。
在建國(guó)74周年之際，數(shù)字北京科學(xué)中心為大家?guī)砹颂貏e欄目“大國(guó)科技范”，讓我們回顧一下今年在黨的領(lǐng)導(dǎo)下所取得的科技成果。
2023年8月25日，中核集團(tuán)下西南物理研究院宣布，新一代“人造太陽(yáng)”“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”托卡馬克裝置（HL-2M）首次實(shí)現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行，其以太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變反應(yīng)為基礎(chǔ)原理，反應(yīng)后可以釋放龐大的能源。
中國(guó)環(huán)流三號(hào)的CAD繪圖 來源：維基百科
這項(xiàng)突破是核聚變裝置綜合能力的體現(xiàn)，也是我國(guó)核聚變能開發(fā)進(jìn)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(shí)現(xiàn)的“高約束模式運(yùn)行”，究竟有怎樣的意義？
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“人造太陽(yáng)”的研究意義與運(yùn)行原理是什么？
“人造太陽(yáng)”其實(shí)是大規(guī)模熱核聚變反應(yīng)堆，其核心技術(shù)為核聚變技術(shù)。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(yīng)，釋放出龐大的能量。這種通過人工聚變反應(yīng)釋放能量的形式和在恒星太陽(yáng)中發(fā)生的核聚變反應(yīng)十分相似，因此被稱為“人造太陽(yáng)”。
氘-氚的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生氦與中子 來源：維基百科
核聚變實(shí)現(xiàn)的條件十分嚴(yán)苛。在太陽(yáng)中，核聚變過程是在極高溫度（數(shù)百萬攝氏度）和極高壓強(qiáng)下發(fā)生的，這兩種條件缺一不可，科學(xué)家們?cè)诘厍蛏鲜褂昧藦?qiáng)大的磁場(chǎng)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(tuán)被電離后電子被剝奪產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，科學(xué)家用磁場(chǎng)來控制帶電的等離子體運(yùn)動(dòng)，防止其接觸到容器殼體，從而造成裝置損壞等嚴(yán)重后果。
為了讓等離子體達(dá)到所需的高溫，科學(xué)家們使用各種加熱系統(tǒng)，如激光、微波或射頻加熱器等。當(dāng)?shù)入x子體達(dá)到足夠高的溫度和壓力時(shí)，核聚變反應(yīng)開始發(fā)生。這個(gè)過程將氫同位素核融合成更重的元素，通常是氘-氚反應(yīng)，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(yīng)室周圍的熱交換設(shè)備，轉(zhuǎn)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(guó)際合作項(xiàng)目，如國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），正在積極推進(jìn)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
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“人造太陽(yáng)”的研究進(jìn)展
“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”就是“人造太陽(yáng)”的官方名稱，是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，ITER裝置是一種超導(dǎo)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(yīng)。中國(guó)于2003年1月正式加入ITER計(jì)劃談判，于2006年5月，中國(guó)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(shè)計(jì)和研發(fā)出世界上第一個(gè)全超導(dǎo)磁約束聚變裝置，于2007年通過國(guó)家驗(yàn)收。
我國(guó)參與ITER計(jì)劃的決策，既是為提升我國(guó)基礎(chǔ)物理的科研水平，也是考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)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(guó)社會(huì)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(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃重大工程啟動(dòng)儀式在法國(guó)總部舉行。
2020年12月28日，韓國(guó)的超導(dǎo)托卡馬克高級(jí)研究開創(chuàng)了一個(gè)新的世界記錄。該超導(dǎo)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(zhǎng)達(dá)20s。
而今年5月28日的凌晨3時(shí)2分，在我國(guó)科研人員長(zhǎng)達(dá)40年的埋頭苦干后，“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”全超導(dǎo)磁約束聚變裝置在1.2億攝氏度的極高溫度下實(shí)現(xiàn)了一百零一秒的等離子體運(yùn)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(yùn)行20秒。這是我國(guó)在可控核聚變領(lǐng)域取得的重大科技進(jìn)步，也是在全球科研與工程領(lǐng)域邁出的重要一步。
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未來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
“人造太陽(yáng)”所運(yùn)用的可控核聚變技術(shù)，是基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的重大難關(guān)。核聚變的研究和應(yīng)用是一項(xiàng)龐大、復(fù)雜的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，在全球范圍內(nèi)，數(shù)以千計(jì)的科學(xué)家和工程師夜以繼日協(xié)同配合，尋幽探秘，花費(fèi)了幾十年的光陰對(duì)可控核聚變核心技術(shù)不懈探索，也耗費(fèi)了巨大的物質(zhì)和人力資源。然而，當(dāng)今可控核聚變?nèi)匀淮嬖谥恍┬枰獜浹a(bǔ)的空間和困難。
①電能的巨大需求與損耗
要控制“人造太陽(yáng)”中的高溫等離子體，就需要一個(gè)巨大的磁場(chǎng)。以國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆（IETR）為例，其磁場(chǎng)高達(dá)13萬高斯，維持這種強(qiáng)度的磁場(chǎng)就需要往導(dǎo)體中通入巨大的電流。由于電阻的存在，導(dǎo)體發(fā)熱十分嚴(yán)重，這就會(huì)造成巨大的電能損耗。而目前的超導(dǎo)材料大都需要高壓低溫的環(huán)境，這就使得一個(gè)“人造太陽(yáng)”中出現(xiàn)了“冰火兩重天”，很難實(shí)現(xiàn)。
懸浮的超導(dǎo)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(shí)，要收集和轉(zhuǎn)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(huì)損害殼體和其他材料。因此，材料學(xué)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(yīng)堆能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(huì)導(dǎo)致等離子體非常不穩(wěn)定?？茖W(xué)家研究更穩(wěn)妥的方式實(shí)現(xiàn)精確控制，以防止其漂移、扭曲或磁場(chǎng)失穩(wěn)。
⑤大規(guī)模資金
要進(jìn)行可控核聚變研究需要建設(shè)龐大的實(shí)驗(yàn)室，如國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），這需要龐大的資金和國(guó)際協(xié)作。這些建設(shè)是為了容納復(fù)雜的設(shè)備和大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，以模擬核聚變反應(yīng)。
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(shì)，因此被認(rèn)為是未來人類能源的主要前景之一。研究“人造太陽(yáng)”就是人類在尋找新型能源過程中邁出的關(guān)鍵一步。
盡管存在這些困難和挑戰(zhàn)，科學(xué)家們正在不斷改進(jìn)技術(shù)設(shè)備，朝著實(shí)現(xiàn)可控核聚變的目標(biāo)邁出堅(jiān)實(shí)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。
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