據(jù)中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司最近公布的消息，中國(guó)“人造太陽(yáng)”環(huán)流器二號(hào)M（HL-2M）裝置將于今年建成，HL-2M是在我國(guó)首個(gè)具有偏濾器位形的大型托卡馬克裝置“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)（HL-2A）”基礎(chǔ)上新研制的又一大型托卡馬克裝置，其科研目標(biāo)是探索可控核聚變研究，實(shí)現(xiàn)“人造太陽(yáng)”的人類(lèi)終極能源追求。

該脈沖機(jī)組的成功研制，將驅(qū)動(dòng)HL-2M裝置的等離子體電流達(dá)到此前現(xiàn)有裝置的2倍以上、等離子體溫度超過(guò)1.5億度，從而為在這個(gè)裝置上開(kāi)展近堆芯級(jí)參數(shù)下的等離子體物理實(shí)驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)研究提供有力保障。這意味著我國(guó)的核聚變技術(shù)又上升到一個(gè)新的臺(tái)階，中國(guó)距利用核聚變能的夢(mèng)想又近了一大步。

此前，中國(guó)科學(xué)院等離子體所2018年11月12日發(fā)布消息，我國(guó)“人造太陽(yáng)”項(xiàng)目獲得重大突破，首次實(shí)現(xiàn)加熱功率超過(guò)10兆瓦，等離子體儲(chǔ)能增加到300千焦，等離子體中心電子溫度首次達(dá)到1億度。不過(guò)，按照現(xiàn)在的研究進(jìn)展，人類(lèi)實(shí)現(xiàn)聚變能的商業(yè)化應(yīng)用至少還要等到2035年以后。

“人造太陽(yáng)”點(diǎn)火裝置能量產(chǎn)生原理示意圖

核聚變其實(shí)并不復(fù)雜.“人造太陽(yáng)”只是為了便于大眾理解的一種比喻說(shuō)法，它是指科學(xué)家利用太陽(yáng)核反應(yīng)原理，為人類(lèi)制造一種能提供能源的機(jī)器——人工可控核聚變裝置，科學(xué)家稱(chēng)它為全超導(dǎo)托卡馬克核聚變?cè)囼?yàn)裝置。”中國(guó)的“人造太陽(yáng)”又稱(chēng)為“東方超環(huán)”（EAST），是世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克，也是中國(guó)第四代核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。“人造太陽(yáng)”并不能像真正的太陽(yáng)那樣給我們光和熱。這也是不可能的，否則，地球上的我們離這樣的裝置這么近，還不被氣化了？哪里還有科學(xué)家做實(shí)驗(yàn)？

其實(shí)，核聚變并不復(fù)雜，它是指氫原子核反應(yīng)時(shí)放出巨大能量的過(guò)程。只要聚攏兩個(gè)氫同位素原子，用壓倒性的力量把它們撞在一起；兩個(gè)原子核克服了它們之間天然的排斥力實(shí)現(xiàn)融合，就能發(fā)生核聚變，并釋放出巨大的能量。但是在現(xiàn)實(shí)中，其發(fā)生反應(yīng)的條件比重原子核發(fā)生的核裂變要苛刻得多。根據(jù)科學(xué)構(gòu)想，核聚變主要有冷核聚變與熱核反應(yīng)兩種方式。

核聚變示意圖

冷核聚變是指輕原子核在相對(duì)低溫（甚至常溫）下進(jìn)行的核聚變反應(yīng)，這種設(shè)想將極大地降低反應(yīng)要求，只要能夠在較低溫度下讓核外電子擺脫原子核的束縛，或者在較高溫度下用高強(qiáng)度、高密度磁場(chǎng)阻擋中子或者讓中子定向輸出，就可以使用更普通更簡(jiǎn)單的設(shè)備產(chǎn)生可控冷核聚變反應(yīng)，同時(shí)也使聚核反應(yīng)更安全。不過(guò)這種情況還只是針對(duì)自然界已知存在的熱核聚變而提出的一種概念性“假設(shè)”。

熱核反應(yīng)是當(dāng)前很有前途的新能源獲取方式，是指參與核反應(yīng)的輕原子核，如氫（氕）、氘、氚、鋰等從熱運(yùn)動(dòng)獲得必要的動(dòng)能而引起的聚變反應(yīng)。熱核反應(yīng)是氫彈爆炸的基礎(chǔ)，1967年6月17日中國(guó)第一顆氫彈已經(jīng)爆炸成功，這個(gè)過(guò)程在瞬間產(chǎn)生大量熱能，但目前還無(wú)法加以利用。不過(guò)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如能使熱核反應(yīng)在一定約束區(qū)域內(nèi)，根據(jù)人們的意圖有控制地產(chǎn)生與進(jìn)行，即可實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)。這也正是現(xiàn)在中國(guó)、美國(guó)、日本及歐盟等一些國(guó)家和組織正在進(jìn)行試驗(yàn)研究的重大課題。

中國(guó)“人造太陽(yáng)”的“東方超環(huán)”（EAST）核聚變裝置

在我國(guó)“人造太陽(yáng)”取得的進(jìn)展中，其所達(dá)到的1億度高溫引起了很多人的興趣。這樣的溫度究竟有多高？實(shí)在是難以想象。一個(gè)可以參考的對(duì)象是：太陽(yáng)核心峰值時(shí)溫度約為1500萬(wàn)攝氏度，中國(guó)“人造太陽(yáng)”是太陽(yáng)核心溫度的6倍。

其實(shí)，在科學(xué)家們?cè)谧铋_(kāi)始嘗試核聚變反應(yīng)時(shí)，已經(jīng)在仔細(xì)考慮這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)槌^(guò)萬(wàn)度以上的等離子體不能用任何材料所構(gòu)成的容器約束，使之不飛散，科學(xué)家們必須尋求某種途徑防止高溫等離子體逃逸或飛散。

經(jīng)過(guò)不斷的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，具有閉合磁力線(xiàn)的環(huán)形磁場(chǎng)是一種最可能的選擇，因?yàn)樵谶@種環(huán)境中帶電粒子只能沿磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這種環(huán)形磁場(chǎng)也被科學(xué)界形象地稱(chēng)之為磁籠。

磁籠

從20世紀(jì)40年代末起，各國(guó)就開(kāi)發(fā)了多種磁籠途徑。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的托卡馬克裝置逐漸顯示出了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，并在80年代成為聚變能研究的主流途徑。

托卡馬克裝置又稱(chēng)環(huán)流器，是一個(gè)由環(huán)形封閉磁場(chǎng)組成的磁籠，很像一個(gè)中空的面包圈,等離子體在這個(gè)面包圈中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生超高溫。等離子體的運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)磁力線(xiàn)，它們的溫度和能量再高，也只能在磁籠中沿著磁力線(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。他打了一個(gè)十分形象的比喻，我們完全可以把高溫離子體看作是一個(gè)個(gè)穿起來(lái)的糖葫蘆，當(dāng)中間的串兒變成環(huán)形的，不管上面的“糖葫蘆”如何運(yùn)動(dòng)，溫度高到什么地步，依舊只能在串上面運(yùn)動(dòng)。在聚變堆研究實(shí)驗(yàn)中，只要設(shè)計(jì)好磁場(chǎng)，超高溫的離子就像賽道上跑的車(chē)，一定是在磁場(chǎng)這個(gè)懸浮的“賽道上”跑，不會(huì)和外圍的實(shí)體材料進(jìn)行直接的碰撞。

另外，在設(shè)計(jì)中，盡管磁籠的中心可以達(dá)到1億度以上，但磁籠等離子體的溫度也是從中心到外圍遞減的，其最接近裝置的溫度已經(jīng)降到了1萬(wàn)度以下，而外邊的裝置通過(guò)水冷系統(tǒng)可以把溫度控制在150度到300度。

高翔說(shuō)，在設(shè)計(jì)的托卡馬克裝置中，高能離子被磁籠完全束縛住無(wú)法逃身，就是有離子能夠逃離，一般也是能量很低的低溫離子，已經(jīng)處于設(shè)備能夠承受的范圍。這也是磁籠中1億度、甚至是數(shù)億度高溫的等離子體不會(huì)導(dǎo)致磁籠外邊的容器等裝置被熔毀的重要原因。

1億度無(wú)法滿(mǎn)足核聚變利用要求有媒體報(bào)道，考慮到氘和氚原子核發(fā)生聚變反應(yīng)的條件，若要求氘、氚混合氣體中能產(chǎn)生大量核聚變反應(yīng)，中心電子溫度必須達(dá)到1億度以上，因此很多人以為1億度是氘、氚聚變堆建設(shè)的最低要求。

這樣的看法并不正確。因?yàn)樵诂F(xiàn)在技術(shù)水平下，1億度的溫度遠(yuǎn)不能達(dá)到氘、氚能夠聚變利用的水平?？紤]到氘和氚原子核能產(chǎn)生聚變反應(yīng)的條件，若要求氘、氚混合氣體中能產(chǎn)生大量核聚變反應(yīng)，溫度要求更高；若要達(dá)到經(jīng)濟(jì)利用，則等離子體中心電子溫度必須達(dá)到4-5億度以上。

在這樣高的溫度下，氣體原子中帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核完全脫開(kāi)，可以實(shí)現(xiàn)各自的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。這種完全由自由的帶電粒子構(gòu)成的超高溫等離子狀態(tài)中，密度、能量維持時(shí)間兩個(gè)參數(shù)也同時(shí)達(dá)到相應(yīng)的要求，核聚變才能變成現(xiàn)實(shí)。1億度的溫度是中國(guó)“人造太陽(yáng)”工程的新紀(jì)錄，但中國(guó)和國(guó)際水平還有較大的差距，目前日本已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)5億度的高溫，美國(guó)和歐洲也已經(jīng)達(dá)到2億度以上的水平。

現(xiàn)在中國(guó)的“人造太陽(yáng)”也有自己的優(yōu)勢(shì)，譬如與日本的裝置相比，中國(guó)屬于更新一代，雖然目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的溫度比他們要低得多，但是在某些方面更具有優(yōu)勢(shì)。

據(jù)測(cè)算，1千克核聚變?nèi)剂纤a(chǎn)生的電能大約等同于1.1萬(wàn)噸煤炭，這意味著未來(lái)人類(lèi)將能夠?qū)崿F(xiàn)廉價(jià)獲取更為綠色清潔的能源夢(mèng)想，對(duì)這類(lèi)能源的追求也是未來(lái)全人類(lèi)發(fā)展的大方向。因此，核聚變能被眾多國(guó)家寄予了厚望。