有望喷薄欲出的中国“人造太阳”

崔金泰

2022年10月19日，传来振奋人心的好消息：被称为“人造太阳”的中国新一代可控核聚变实验装置（HL-2M）运行获得突破性进展， 创造出1.5亿摄氏度高温和超过1兆安（100万安培）的等离子体电流， 已达到核聚变点火要求， 实现核聚变稳定运行的必要条件已经具备。2023年4月12日，中国“人造太阳” 又创造了新的世界纪录，成功实现等离子体稳定运行403秒，这对提升核聚变能源经济性、可行性，加快实现核聚变发电具有重大意义。

科学家为获得人类最理想的终极能源，数十年来一直努力模仿太阳上的核聚变反应，建造为人类提供清洁能源的装置，因而核聚变实验研究装置被誉为“人造太阳”。处于世界研发前沿的中国“人造太阳”，将会在人们的期望中释放出绚丽夺目的光芒！

揭开太阳经久不息发光放热的奥秘

太阳给地球带来了光明和温暖，维持生命活动的各种能源。据计算，太阳每秒钟发出的能量约相当于1.3億亿吨标准煤燃烧的能量。地球每天接收的太阳能，相当于全世界一年所消耗的总能量的200倍。太阳发光放热已经持续了约45亿年。

也许有人会问，太阳的巨大能量来自哪里？为什么能长期发光而经久不衰呢？

美国科学家贝特等人终于在1938年揭开了太阳发光的秘密。原来，太阳的巨大能量由氢而来，但不是氢和氧燃烧时产生的光和热，而是氢原子核在高温、高速运动条件下聚合产生的核反应放出的。也就是说，太阳内部每时每刻都在进行着原子核聚变反应，即每4个氢原子核聚合成一个氦原子核，同时释放出大量的光和热。这就是通常所说的热核聚变反应。

太阳内部不断进行着这种热核聚变反应，犹如连续发生氢弹爆炸一样，释放出巨大的能量。这种能量之大，相当于1秒钟内爆炸910颗百万吨级的氢弹（投在日本广岛的原子弹仅为两万吨级）。太阳释放的能量如此之大，主要是因为核聚变反应所放出的能量是一般化学反应（如煤或天然气燃烧）释放出能量的百万倍。例如，用氢通过核聚变反应合成4克氦所放出的热量，就同燃烧12吨优质煤得到的热量相当。而太阳主要是由氢气组成的，其体积又特别巨大，在它的“肚子”里可以容纳130万个地球。由此可知，太阳里蕴藏着多么丰富的能量！这也正是太阳能经久不衰地发光放热的秘密所在。

太阳已有了，为何还要建“人造太阳”

说到这里，人们自然会产生疑问，太阳已经有了，为什么还要花费巨大的人力、物力和时间去研制“人造太阳”呢？

这是因为世界现有的能源已向人类发出了挑战：现在最常用的化石燃料（如煤、石油和天然气），储量有限，未来有枯竭的危险，而且还存在一定的环境污染。绿色新能源如风能、太阳能、水能等又受限于天气或地理条件等的限制，难以满足人类对能源的长远需要。至于现在世界各国已建造的许多核电站，它们采用核裂变反应发电，所需要的铀、钚等核燃料的储量也不多，还会产生放射性。“人造太阳”采用的是核聚变反应，所需的原材料之一的氘在地球上储量巨大，几乎取之不尽、用之不竭，加之核聚变反应的产物对环境友好，没有危害性，因而核聚变能源被认为是人类最理想的“终极能源”。

“人造太阳”如何为人类提供清洁能源

“人造太阳”就是仿照太阳上核聚变反应原理建造的为人类提供清洁而又廉价的电能的装置。我国建造的“人造太阳”是全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），它是一个控制核聚变反应的环形容器。要想实现核聚变反应，造出“小太阳”，首先必须使环形容器中的氢（实际上是氢的两种同位素氘、氚）原子核内的核子（即质子、中子）距离缩小到能使核子间接近核力发生作用的范围内。但是，由于原子核都带正电，原子核之间存在着很大的静电排斥力，要使它们接近核力作用的范围，就需要让参与核聚变反应的原子核先获得足够的动能，即原子核以极大的动能相互间发生猛烈的碰撞和压缩，从而形成核聚变反应。在军事上，人们利用核裂变反应的原子弹爆炸时产生的高温和高压，使氘和氚发生核聚变反应，从而制成威力比原子弹大得多的氢弹。

通常，使原子核获得强力动能的办法是，采用强大的电流向核聚变燃料氘和氚（气体）放电时，就会产生几千万甚至上亿摄氏度的高温。在这样的高温下，原子核外的电子已经完全和原子核脱离，同时使氘、氚分离成带正电和负电的离子，也就是形成燃烧的等离子体。这些高速、高温的等离子体相互碰撞并对核聚变装置的圆环状容器壁进行轰击，从而点火产生核聚变反应。强磁场可使高温下的带电离子汇聚成细柱状而不飞散，以便按需要进行核聚变反应，即控制核聚变反应的速度。在核聚变反应过程中，氘和氚的原子核相互熔化，产生氦和中子。这些高能中子将加热EAST中的涡轮发电系统，从而产生强大的电力。其发电过程安全，不会产生普通核电站那样的放射性物质。

那么，未来如果“人造太阳”成功运行，能为世界带来什么改变和益处呢？

科学家是这样回答的：首先是能源面临的挑战和危机将迎刃而解，能源的价格将非常低廉，一些因能耗限制而难以开展的项目如海水淡化、沙漠治理等，可以大规模开展，进而带来生产和生活的巨大进步。其次，“人造太阳”的核聚变产物是氦和中子，不排放有害气体，由于环境污染所产生的温室效应、雾霾和酸雨等将大幅度减轻乃至消除，进而使生态环境得到彻底改善。另外，核聚变能源的原料氘可从含量丰富的海水中获得。1升海水中含有0.03千克氘，这些氘通过核聚变反应释放出的能量相当于300升汽油燃烧时释放出的热能。全球海洋中氘的储量可达几十万吨，足够人类使用几十亿年，可以一劳永逸地解决能源问题。

蓄势待发的中国“人造太阳”将创奇迹

我国“人造太阳”的研制早在20世纪50年代就开始了，几乎与国际上同步。2006年，我国在合肥自主建成了“人造太阳”实验装置，即托卡马克核聚变实验装置（EAST），是全球首创的全超导型装置，用以探索无限而清洁的核聚变能源。

2011年，我国与世界上30多个国家联手打造“人造太阳”，即由30多个国家合建的国际热核聚变实验反应器。这个实验反应器采用氘、氚核聚变反应，其中氘在海水中储量极为丰富，而氚虽不能自然生成，但可在反应堆中通过锂再生。当时的国际热核聚变实验反应器是有史以来最大的托卡马克装置，它能够产生500兆瓦的电力，与一座火力发电站的发电量相当，但这种反应器不会用来发电，因为它只是一个大型的物理实验装置。

2016年初，我国合肥的“人造太阳”实验装置在实验中创出新纪录。这个核聚变反应器将核燃料的等离子体加热到近5000万摄氏度，是太阳中心温度的3倍多，而且将这一温度维持了102秒，使极端高温持续时间从原来的20秒提高了5倍。与此同时，欧洲和日本科学家虽然也成功达到中国团队所达到的温度，但他们的高温无法持续超过1分钟，因为他们担心会导致反应堆熔毁。

2021年5月，中国的“人造太阳”团队又实现了新的里程碑。位于合肥的全超导托卡马克核聚变实验装置成功实现可重复的1.2亿摄度101秒等离子体运行，而且还实现了1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。2021年12月30日，合肥的实验装置又实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。这种千秒等离子体运行时间的实现，为未来建造稳态的核聚变工程带来了希望。

新一代中国“人造太阳”即“中国环流器二号M”（HL-2M）新型托卡马克核聚变实验装置，已于2020年在成都投入运行，并开展相关的科学实险。

HL-2M装置是我国早期的托卡马克核聚变实验装置HL-2A的改进升级版，它采用了更先进的结构与控制方式，等离子体温度有望超过2亿摄氏度。它将为我国参与国际热核聚变实验反应器的相关实验与运行，以及未来自主设计建造新型核聚变反应器提供重要技术支撑。

令人们惊喜的是，2022年10月19日，中国新一代“人造太阳”的研制实验又获得关键性的突破，托卡马克核聚变装置的核心参数即等离子体电流已达到100万安培（1兆安），创造了中国核聚变实验装置运行的新纪录。这标志着中国“人造太阳”向核聚变点火迈进了重要的一步！

未来的托卡马克核聚变装置必须在兆安级电流下稳定运行。中国HL-2M装置的等离子体电流能力可以达到2.5兆安以上，这意味着该装置未来可以在超过1兆安的电流下常规运行，从而为进一步实验研究创造了有利条件。

目前，中国“人造太阳”实验装置已经具备1兆安的等离子体电流、1亿摄氏度的高温等离子体、1000秒的连续运行时间这三个获得核聚变能源的必要条件。显然，中国“人造太阳”的研制已位于世界的最前列，而且其研制机构承诺将参与安装国际热核聚变实验反应器的核心装备，并提供更多的相关信息。人们期待着中国“人造太阳”在不远的将来喷放出耀眼的“阳光”！

【责任编辑】蒲 晖