“人造太阳”照亮地球还要多久？

来源：世界互联网大会2023-01-05 18:24

　　我们在描绘未来美好生活场景的时候，总会说一句“物质极大丰富”。什么叫物质极大丰富？归于一点便是能源可以无限供应，并且安全、清洁、高效。

　　在《三体》描述的未来世界里，人类艰难突破智子的封锁，造出了可控核聚变装置——反应炉中燃起的“微型太阳”只消耗很少的燃料，就能释放出巨大的热量来发电，这种装置被称为 “人造太阳”。

　　那么，科幻小说设定中的“无限能源”到底是什么？将怎样改变人类使用能源的方式呢？今天，我们来一起聊聊“人造太阳”的那些事。

　　什么是“人造太阳”？

　　“人造太阳”一般指国际热核聚变实验堆计划，以其安全、清洁、高效、可持续等优点成为满足未来国家重大战略需求和实现双碳目标的重要技术方案。但要实现这一核聚变，通常要求温度达到 亿度量级。

　　简言之就是在地球上造一个装置，模拟太阳发光发热释放能量，从而解决人类所面临的能源问题。

　　图源：科技日报

　　我们为什么要造个“人造太阳”？

　　或许你可能会发出这样的疑问：已经有一个太阳了，为什么还非得要再造个太阳呢？为什么又说核聚变技术对人类至关重要？要说清这个问题，需要从能源说起。

　　我们都知道“万物生长靠太阳”，地球上埋藏的煤炭、石油等化石能源实质上也是远古生物储存的太阳能，水能、风能、生物质能等可再生能源同样是通过太阳能转化而来，而太阳的能量正是来源于核聚变。

　　简单说，核聚变就是两个轻原子在高温高压的环境下相撞，聚合成一个重原子，在反应过程中会产生质量损失。根据爱因斯坦标志性的质能方程，能量等于质量乘以光速的平方，由于光速值巨大，即使较小的质量损失也会转化为巨大的能量爆发出来。

　　一名技术人员在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

　　图源：央视新闻

　　实现“人造太阳”有什么意义？

　　如果可以驾驭核聚变的能量，人类文明有望进入一个全新的发展阶段。当前，人类已经掌握了可控核裂变技术，已经广泛应用的核能发电就是利用的这一技术。跟裂变相比，核聚变拥有更多优势：作为核聚变原料，氘在地球上的含量相当丰富， 易于提取。同时，可控核聚变能在自然条件下稳定反应，简单可控，具备本质安全。核聚变反应过程中几乎 不产生辐射，核废料也几乎没有放射性，不存在核泄漏的风险。

　　核聚变工作原理

　　图源：BBC

　　更重要的是，核聚变释放的能量是核裂变的数倍。理论上，只需要几克氘和氚的混合反应物，就有可能产生上万亿焦耳的能量，这相当于一个普通人一生所需的能量。

　　如果我们可以模拟这个反应过程，实现“人造太阳”，便可一劳永逸解决能源问题。

　　世界多国都在“造太阳”

　　20世纪中叶，苏联科学家研制出了一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器。这种名为托卡马克的装置，为可控核聚变技术的突破打开了一扇大门。

　　高能粒子流经托卡马克形成甜甜圈形状

　　图源：微信公众号甲子光年

　　“造太阳”，托卡马克装置被寄予厚望，是世界各国都在研发探索的方向。上世纪90年代，美欧日先后建成3个大的托卡马克装置，均实现在 三五秒钟的时间内维持核聚变反应，且可重复。这意味着，科学上的可行性在实验中得到了验证，而中国在这方面也逐渐实现了“弯道超车”。

　　从上世纪50年代，中国开启核聚变研究，到1984年中国环流器一号（HL-1）的建成，为中国自主设计、建造、运行“人造太阳”培养了大批人才，积累了丰富经验。再到1994年，更名为“ht-7”的大科学装置成功研制，中国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家。

　　现如今，中国已有多座成功运行的国产托卡马克装置。

　　其中，中国设计的东方超环EAST，是世界首个全超导托卡马克装置，坐落于中国科学院合肥等离子体物理研究所。2021年12月，EAST实现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。

　　新一代“人造太阳”（HL-2M）装置

　　图源：中核集团核工业西南物理研究院/科技日报

　　今年10月，中国新一代“人造太阳”托卡马克装置（HL-2M）等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了中国可控核聚变装置运行新纪录。

　　新一代“人造太阳”的发展与前景

　　近期，中核集团核工业西南物理研究院传出消息，全球最大的“人造太阳”，国际热核聚变实验堆（ITER）增强热负荷第一壁完成首件制造，并且具备了批量制造条件。这次最新突破的关键部件“第一壁”，实际上是“人造太阳”的“防火墙”，可以直接面对燃烧的上亿摄氏度等离子体。这是中国在可控核聚变领域的巨大突破，标志着中国全面突破“ITER增强热负荷第一壁”关键技术。