中國人造太陽是怎麼造出來的
1.2億攝氏度燃燒101秒
中國人造太陽是怎麼造出來的
有一部小説叫《中國太陽》，講的是農村小夥兒水娃不斷奮鬥，借助“中國太陽”工程成為深空宇宙開拓者，為人類解決能源問題的故事。
現實中，中國真的有“人造太陽”，而且有兩個：一個在安徽合肥西郊“科學島”上的中國科學院合肥物質科學研究院內，是有著“東方超環”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(簡稱EAST)；另一個則是位於四川成都中核集團核工業西南物理研究院的中國環流器二號M裝置(HL-2M)。
5月28日，“東方超環”再次刷新了世界紀錄：在其第98958次放電中，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒電漿體運作，是1億攝氏度20秒原紀錄的5倍。這意味著人類讓核聚變成為未來清潔新能源的努力，又一次取得了突破性進展，標誌著我國在穩態高參數磁約束聚變研究領域將繼續引領國際前沿。
那麼，為什麼有了太陽，還要造“太陽”？“人造太陽”長什麼樣？是怎麼造出來的？記者帶您一起探訪——
理想的“終極能源” 一旦掌握了核聚變能，人類將實現“能源自由”
煤、石油、天然氣，這些人類賴以生存的不可再生能源終有一天將被耗盡。人類面臨著嚴重的能源危機和環境危機。如何從根本上解決這一問題？尋找新能源。
萬物生長靠太陽。可以説，太陽是地球最大的能量來源，它的表面溫度約6000攝氏度，內核溫度約1500萬攝氏度，像一個熊熊燃燒的大火球，每秒鐘可散發出相當於1億億噸煤炭完全燃燒産生的能量。
太陽為什麼能産生這麼大的能量？因其內部持續不斷的核聚變反應。而支撐這種聚變反應的主要原材料氘，在地球上的儲量極其豐富。
據測算，從1升海水中提煉出的氘，經核聚變反應後釋放的能量相當於300升汽油燃燒的能量。而海洋中蘊藏著約40萬億噸氘，理論上用於聚變反應釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無窮無盡。
由此，模倣太陽聚變反應原理造一個“太陽”，被科學家們認為是解決人類能源危機的最佳方案。
核聚變的原理是由品質較小的原子——如氫的同位素氘、氚，在極高溫條件下使核外電子擺脫原子核的束縛，兩個原子核相互碰撞聚合，生成新的品質更重的原子核氦，由於品質虧損和質能轉換，釋放巨大的能量。
“簡單來説，地球上‘最容易’實現的氘氚核聚變反應的最終生成物是氦和攜帶能量的中子，而氦是非常清潔的。”中國科學院合肥物質科學研究院電漿體物理研究所的鄢容博士告訴記者，這是一種清潔能源，沒有碳排放，沒有放射性廢料，也不會出現燃料棒熔斷的災難，比風能和太陽能穩定，被認為是一種理想的“終極能源”。“一旦掌握了核聚變能，人類將實現‘能源自由’。”
受益的無疑是整個人類社會。
形似“甜甜圈”，擁有“超燃”內核 超高溫、超低溫、超高真空、超強磁場、超大電流等極端環境“熔于一爐”
從上世紀50年代開始，世界科學家們便開始了在可控核聚變領域的研究。
通過科研人員的不懈努力，1994年，我國第一個圓截面超導托卡馬克核聚變實驗裝置“合肥超環”(HT-7)研製成功，使我國成為繼俄、法、日之後第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家，也是我國建成並投入運作的首個超導托卡馬克裝置。
這次創造新的世界紀錄的主角——EAST則是在“合肥超環”基礎上，由我國科學家自主研發的世界上第一個全超導磁體、非圓截面托卡馬克實驗裝置，主體部分高11米、直徑8米、重400多噸。
如此一個龐然大物，到底長什麼樣？有人説像一個巨大的罐子，有人説像一個大鍋爐，還有人説像一個超大號的高壓鍋。而在致力於核聚變研究40年的中國工程院院士李建剛看來，EAST就像我們吃的甜甜圈一樣。
不過這個“甜甜圈”與眾不同，由真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成，四週佈滿了大大小小的輔助加熱、診斷、抽氣和冷卻裝置，零件數量相當於5架波音777飛機的零件總和。而且擁有“超燃”內核——超高溫、超低溫、超高真空、超強磁場、超大電流等極端環境“熔于一爐”。
這是一個“超難”的集合體。
據鄢容博士介紹，想實現聚變反應，首先要達到1億攝氏度以上，使聚變燃料完全電離，並在保證電漿體密度的前提下，將高溫電漿體維持相對足夠長的時間，才可能釋放出足夠多的能量。“托卡馬克的高溫物質，就像是一群正在嬉戲打鬧的淘氣孩子，很難控制。溫度、密度、時間這三個要素缺一不可，相互協調到最佳狀態，才能實現穩態約束。”
實現上億攝氏度點火是實現核聚變發電的兩大難點之一。上億攝氏度是什麼概念？相當於太陽核心溫度的6.67倍。
為了實現如此高溫，科學家們採用了微波、中性束等多種加熱手段。“家用微波爐的功率是500瓦左右，而EAST總功率有34兆瓦，相當於約6.8萬台家用微波爐一起加熱。”中科院合肥物質科學研究院電漿體物理研究所王騰博士説。
然而，目前地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度是3000多攝氏度。用什麼承載上億攝氏度的高溫電漿體？科學家們的方法是用磁場做成“籠子”，把那團上億度的火球懸浮起來，使所有電離了的電漿體只能沿著磁力線運動，不讓它與周邊的任何容器材料接觸，從而保護裝置材料不被燒燬。據鄢容博士介紹，EAST由16個縱場線圈、14個極向場線圈構成，産生的磁場強度是地球磁場強度的近7萬倍。
為了達到強磁場，“人造太陽”還需要超過12000安培的超大電流，強度是普通家用空調的數千倍，而承載大電流的線圈工作在零下269攝氏度的超低溫度，就在距離1億攝氏度高溫約1米遠的地方，上演了現實版的“冰火兩重天”。“這就需要實現地表大氣壓約一千億分之一強度的‘超高真空’來‘隔熱’。”科研人員介紹説。
自立自強，“超級材料”中國造 盼望核聚變點亮的第一盞燈在中國
“超高溫”與“超低溫”共存，“超強磁場”與“超大電流”並行，要在地球上造出“人造太陽”，必須要有性能極其特殊的材料承載。超導便是其中之一。
“超導是一種在特殊條件下電阻為零的材料，利用這一特性可以避免導體發熱，實現‘人造太陽’的長時間運作。”李建剛説，當年中國啟動研製“人造太陽”的時候，超導技術控制在少數發達國家手中，向國外購買超導材料，有的出爾反爾不賣，有的開價高，還只賣三流産品。
材料被“卡脖子”，怎麼辦？我國科學家決定自己做。
邊建設邊研發。從超導材料、超導接頭、超導配線，到大型磁體系統……如今我國已擁有世界先進的超導技術。“可以説，研製‘人造太陽’，也推動中國的超導材料産業前進了20年。”中科院合肥物質科學研究院副院長、電漿體物理研究所所長宋雲濤介紹，如今中國已成為世界上超導材料的最大出口國，從被“卡脖子”的對象成為主供應商。
除此之外，還衍生出一系列重要的創新成果，在低溫技術、電漿體技術、生物技術、材料技術、機器人技術等多個産業技術板塊，推動一大批高新技術成果實現轉移轉化。
隨著EAST研製工作推進，2003年，我國正式以“平等夥伴”身份加入了國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃。但在2001年之前，這個“俱樂部”一直將我國拒之門外。通過科研人員的不懈努力，如今，我們實現了從“跟跑”“並跑”到“領跑”的跨越，走向了世界聚變舞臺的中心。
去年7月至今年4月底，EAST迎來了新一輪改造升級。此次實驗實現1.2億攝氏度101秒電漿體運作，是我國在國際上首次採用全金屬主動水冷第一壁、高性能鎢偏濾器等關鍵技術。“我們通過高功率的射頻波加熱，通過主動水冷偏濾器，通過精密的電漿體控制，特別是電漿體與材料強相互作用這一方面，克服了許多工程和技術方面的難題，使得EAST性能得到了很大的提高，這是取得這一次成績的一個重要的保障。這一成績的取得，也標誌著我國在穩態高參數磁約束聚變研究領域處在國際領先水準。”中科院合肥物質科學研究院電漿體物理研究所托卡馬克物理研究室主任龔先祖説，這進一步證明核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定物理和工程基礎。
“我最大的夢想就是在有生之年，讓世界第一個核聚變反應堆率先在中國發電，一盞盞燈泡被核聚變能點亮，而且點亮的第一盞燈泡一定要在中國。”李建剛説。
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從用羽絨服換回設備到全球第一
全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)是我國批准立項的“九五”國家重大科技基礎設施，擁有類似太陽的核聚變反應機制，因此也被稱為“人造太陽”。
EAST的發展歷程可追溯到上世紀90年代。當時，我國用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換了蘇聯價值1800萬盧布的T-7半超導托卡馬克裝置。在經濟非常困難的情況下，我國科研人員依靠自己的力量，對T-7及其低溫系統進行了根本性改造。1994年，我國第一個圓截面超導托卡馬克核聚變實驗裝置“合肥超環”(HT-7)研製成功。
在HT-7成功運作的基礎上，“九五”國家重大科學工程HT-7U(後改名為EAST)立項，並多次刷新世界紀錄。以下為其大事記：
●1998年7月，通過國家發展計劃委員會立項。
●2000年10月，正式開工建設。
●2003年10月，HT-7U正式改名為EAST。
●2006年2月，首次工程調試成功；同年9月，成功獲得首次高溫電漿體放電。
●2007年1月，成功獲得首次大拉長偏濾器位型放電。同年3月，通過國家竣工驗收。
●2009年，成功獲得穩定重復的60秒非圓截面雙零偏濾器位型電漿體放電。
●2010年，成功實現了大於60多倍能量約束時間高約束模式(H模)電漿體放電，100秒1500萬攝氏度偏濾器長脈衝電漿體放電。
●2012年，成功獲得超過400秒的2000萬攝氏度高參數偏濾器電漿體；獲得穩定重復超過30秒的高約束電漿體放電。
●2016年，實現電子溫度超過5000萬攝氏度、持續時間102秒的超高溫長脈衝電漿體放電。
●2017年，實現了穩定的101.2秒穩態長脈衝高約束電漿體運作，創造了新的世界紀錄。
●2018年，實現加熱功率超過10兆瓦，電漿體儲能增加到300千焦；在電子迴旋與低雜波協同加熱下，電漿體中心電子溫度達到1億攝氏度。
●2021年5月28日，創造新的世界紀錄，實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒電漿體運作。
(本報記者 王珍)
