简介:
现在中国的“人造太阳”已经达到一亿多度，这意味着中国的核聚变技术已经上升到一个新的水平。什么样的设备能承受这么高的温度？离世界先进水平差距有多大？
根据中国核工业集团公司4月发布的消息，中国的“人造太阳”循环器II M(HL-2M)装置将于今年完工。HL-2M装置是在中国第一台偏滤器位形大型托卡马克装置的基础上发展起来的又一台大型托卡马克装置。其科研目标是探索可控核聚变研究，实现“人造太阳”的终极目标
该脉冲单元的研制成功，将带动HL-2M装置的等离子体电流比之前现有装置提高一倍以上，等离子体温度将超过1.5亿度，从而为该装置上的等离子体物理实验和近芯参数下的关键技术研究提供有力保障。
这意味着中国的核聚变技术上升到了一个新的高度，中国离使用核聚变能源的梦想又近了一大步。
此前，中国科学院等离子体研究所于2018年11月12日发布消息。中国“人造太阳”工程取得重大突破。加热功率首次超过10 MW，等离子体储能增至300 kJ，等离子体中心电子温度首次达到1亿度。
被称为中国“人造太阳”的“东方”科学仪器
但按照目前的研究进展，聚变能的商业应用至少要到2035年才能实现。
核聚变其实并不复杂。
“‘人造太阳’只是一个让大众理解的比喻。是指科学家利用太阳核反应原理，制造出一种可以为人类提供能量的人工控制核聚变装置。科学家称之为全超导托卡马克核聚变试验装置。”中科院等离子体物理研究所聚变堆通用实验室执行主任高翔研究员告诉记者。
中国的“人造太阳”，又称“EAST”，是世界上第一台非圆截面全超导托卡马克，也是中国第四代核聚变实验装置。
“人造太阳”不能像真正的太阳一样给我们光和热。也是不可能的，不然我们在地球上离这样一个装置这么近，不会被汽化吧？其他科学家在哪里做实验？
核聚变反应示意图(图片来自网络)
其实核聚变并不复杂，是指氢原子核反应时放出巨大能量的过程。只要聚集两个氢同位素原子，用压倒性的力量把它们撞在一起；当两个原子核克服它们之间的自然排斥力而融合时，就可以发生核聚变，释放出巨大的能量。然而在现实中，其反应的条件比特定原子核的核裂变要苛刻得多。
根据科学概念，核聚变主要包括冷核聚变和热核反应。
冷核聚变是指轻核在相对较低的温度(甚至常温)下的核聚变反应。这种假设将大大降低反应要求。只要在低温下能使核外电子摆脱原子核的束缚，或者在高温下能被高强度、高密度的磁场阻挡或定向输出中子，就可以用更普通、更简单的设备产生可控的冷核聚变反应，同时使多核反应更加安全。但是，这种情况只是自然界已知存在的热核聚变的一种概念性“假设”。
热反应是目前很有前途的获取新能源的方式。指参与核反应的轻核，如氢、氘、氚、锂等引起的聚变反应。从热运动中获得必要的动能。
热反应是氢弹爆炸的基础。1967年6月17日，中国第一颗氢弹爆炸成功。这个过程瞬间产生了大量的热能，但是现在还不能使用。但是科学家发现，如果热核反应能够在一定的限制区域内按照人的意图有控制地产生和进行，那么受控热核反应是可以实现的。这也是中国、美国、日本、欧盟等一些国家和组织正在进行实验研究的重要课题。
为什么一亿度的高温没有把壳融化？
在中国“人造太阳”的进程中，其一亿度的高温引起了很多人的兴趣。这个温度有多高？真的很难想象。一个参照物是:太阳核心的峰值温度约为1500万摄氏度，中国的“人造太阳”是太阳核心的6倍。
事实上，当科学家们第一次尝试核聚变反应时，他们已经在仔细考虑这个问题了。由于一万度以上的等离子体无法被任何材料制成的容器所约束，科学家必须寻求某种方法来防止高温等离子体逃逸或飞行。
经过不断的研究，科学家发现磁力线闭合的环形磁场是最有可能的选择，因为带电粒子在这种环境下只能沿着磁力线运动。这个环形磁场也被科学界形象地称为磁笼。
自20世纪40年代后期以来，各个国家已经开发了各种磁笼方法。自20世纪70年代以来，苏联科学家发明的托卡马克装置逐渐显示出其独特的优势，并在80年代成为聚变能源研究的主流方式。
磁笼(图片来自网络)
托卡马克装置又叫循环器，是一个环形闭合磁场组成的磁笼，很像一个中间空甜甜圈，等离子体在其中运动，产生超高温。
高翔说，等离子体的运动离不开磁力线。无论它们的温度和能量有多高，都只能在磁笼中沿着磁力线旋转。他做了一个非常生动的比喻。我们完全可以把高温等离子看成一个个穿起来的糖葫芦。当中弦变成环时，无论上面的“糖葫芦”怎么动，温度多高，依然只能在弦上动。在聚变堆的研究实验中，只要设计好磁场，超高温离子就像在轨道上行驶的汽车。它们必须在磁场的悬浮“轨道”上运行，不会与周围的固体物质直接碰撞。
另外，在设计上，虽然磁笼中心可以达到一亿多度，但是磁笼内等离子体的温度从中心向四周递减，最近的器件温度已经降到了一万度以下，而外部器件的温度可以通过水冷系统控制在150度到300度。
“人造太阳”点火装置能量产生原理详解
高翔说，在设计的托卡马克装置中，高能离子完全被磁笼束缚，无法逃逸，也就是有能逃逸的离子，一般是低能低温离子，已经在设备能承受的范围内。这也是磁笼内一亿度甚至上亿度的高温等离子体不会导致磁笼外的容器等器件熔化的重要原因。
十亿度都满足不了核聚变利用的要求。
据媒体报道，考虑到氘氚核聚变反应的条件，如果在氘氚混合气体中需要大量的聚变反应，中心电子温度必须达到1亿度以上，所以很多人认为1亿度是建造氘氚聚变堆的最低要求。
高翔说，这种观点是不正确的。因为在目前的技术水平下，1亿度的温度还远远达不到氘氚可以聚变利用的水平。考虑到氘氚核能产生聚变反应的条件，如果能在氘氚混合气体中产生大量聚变反应，对温度的要求更高；要实现经济利用，等离子体的中心电子温度必须达到4-5亿度。
在如此高的温度下，气体原子中带负电的电子和带正电的原子核完全分离，可以独立运动。在这种完全由自由带电粒子组成的超高温等离子体状态下，密度和能量维持时间两个参数也满足相应的要求，核聚变才能成为现实。
1亿度的温度是中国“人造太阳”工程的新纪录，但中国与国际水平仍有较大差距。目前，日本已经能够实现5亿度的高温，美国和欧洲已经达到2亿度以上的水平。
高翔说，现在中国的“人造太阳”也有自己的优势。例如，与日本设备相比，中国属于新一代。虽然达到的温度比他们低很多，但在某些方面还是有优势的。
或能解决“核电困境”
高翔说，受控热核反应是聚变堆的基础。聚变反应堆一旦成功，有望为人类提供清洁、取之不尽的能源。
物理学家发现，核能可以通过三种核反应中的任何一种来释放:一种是核裂变，即较重的原子核分裂释放结合能；第二种是核聚变，即较轻的原子核聚合在一起释放结合能；第三种是核衰变，是原子核在自发衰变过程中释放的能量。
目前人类已经通过核裂变大规模获取核能，利用原子核裂变反应的能量发电(核电站)或作为动力驱动，如核动力航母。核聚变有望大规模使用，目前还在研究过程中。核衰变主要用于放射性研究及其应用。
中国已经是世界上利用裂变核能最多的国家之一。裂变核能利用的问题是辐射威胁大、防护要求高、核废料不易处理。此外，还有一些问题，如开采和提取核燃料铀等等。相比之下，“人造太阳”无论是聚变中还是聚变后，相关物质的核辐射威胁都要小得多，安全问题相对更可控。
由于可控聚变反应要求的条件很高，一旦发生事故，只是导致反应的等离子体约束破裂，聚变反应就会因为失去反应条件而终止。因此，聚变燃料的储存和运输以及变电站的运行都是相对安全的。聚变堆不产生污染环境的硫和氮氧化物，不释放温室气体。
科学界认为，如果可控热核聚变能源得到大规模利用，将从根本上解决人类社会的能源问题。核聚变在技术上是可行的。20世纪90年代，欧洲、日本和美国在几个大型托卡马克装置上的聚变能研究取得突破。无论是等离子体温度、稳定性、约束性，都基本达到了大规模核聚变的条件。这为人类利用核聚变带来了希望的曙光。
聚变原料取之不尽用之不竭。其主要燃料氘在海水中含量丰富。据估计，海水中每6400个氢原子中约有一个氘原子，海水中氘的总量约为45万亿吨。每升海水中氘完全聚变释放的聚变能量相当于300升汽油燃料的能量。按照世界上消耗的能量，海水中氘的聚变能量可以维持数百亿年。氚在自然界中很罕见，但它可以由锂制成，而锂在地壳和海水中含量丰富。
根据计算，1kg核聚变燃料产生的电能约等于吨煤，这意味着未来人类将能够实现获得更清洁、更廉价能源的梦想，而对这种能源的追求也是全人类未来发展的大方向。因此，许多国家都对核聚变能源寄予厚望。(记者，本栏目与“科普中央厨房”“科学Plus”客户端合作||编辑王)
