中國科學家創造新紀錄，“人造太陽” 要來了！

在哈薩克斯坦阿斯塔納專項世博會中國館展出的“人造太陽”核聚變多媒體裝置。（圖片來源：新華社）

近日，中國科學家又創造了一個“世界紀錄”。未來，我們傳統的能源——煤、石油、天然氣等，可能都要靠邊站了。

7月3日22時左右，中國科學院合肥物質科學研究院等離子物理研究所傳來捷報：我國的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置首次實現了穩定的101.2秒穩態長脈沖高約束模等離子體運行。

全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，這個名字念起來有點拗口又難以理解，不過它有一個好記的名字叫“東方超環（EAST）”，也有人通俗地叫它“人造太陽”——因為它的目標是讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下，像太陽一樣發生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源。

在這次核聚變實驗中，中國科研團隊在世界上首次實現了5000萬攝氏度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行，實現了從60秒到百秒量級的跨越。

聚變優點：原料儲量豐富 產物沒有放射性

如今，對於新能源，如太陽能、風能、水能、潮汐能、地熱能等，大家都不陌生，但一個不可否認的事實是，這些新能源從根本上來說，只是一種輔助能源，還無法取代煤、石油、天然氣等化石燃料的地位。

從20世紀50年代開始，核電登上世界能源舞台，並展示出巨大的威力——隻要燃燒極少的燃料就可獲得巨大的能量。不過，核電站是以原子核的裂變反應為基礎，產生的放射性廢物處理起來也比較困難，而且主要核燃料鈾的儲量相對來說並不豐富，開採和提煉也十分困難﹔而核裂變反應的原料之一——?，在自然界中甚至無法找到，需要人工合成。此外，核電在人類發展史上發生的一些大事故，比如切爾諾貝利事故和福島核電站核泄漏事故，讓人們對核電站仍心有余悸。所以，雖然以核裂變為原理的原子能在技術上已無太多障礙，但在全球能源體系內，核裂變在“能源宮斗”中，遲遲無法上位。

相對核電的核裂變來說，人造太陽的核聚變是否也會有核輻射的隱患呢？

答案是聚變的產物沒有放射性。同時，由於聚變反應需要的條件比較高，一旦發生事故，造成反應的等離子體約束破裂，聚變反應便會終止。因此聚變燃料的保存運輸、聚變電站的運行都比較安全。

與核裂變比起來，核聚變還有一個天然的巨大優勢，它的原料儲量極其豐富。其主要燃料是存在於地球海水之中的氘（氫的同位素），而另一種原料氚（同樣是氫的同位素），可用中子轟擊鋰的方法制備﹔而科學家預想的聚變燃料之一“氦-3”，在月球上也有豐沛儲量。

關鍵裝置全超導托卡馬克：能約束上億攝氏度高溫等離子體

核聚變，對於很多人來說似乎都有些陌生。但早在20世紀50年代初，人類就實現了核聚變反應——氫彈爆炸。其原理簡單來說，就是用一個裂變反應（即原子彈）作雷管，通過原子彈爆炸制造出高溫高壓，從而“引爆”聚變反應，但這種瞬間的猛烈爆炸人類無法控制。因此，要把核聚變時產生的巨大能量為我們所用，必須要對劇烈的聚變核反應加以控制，所以，人類要做的就是——受控核聚變。

科學家想到的一種方法是，用粒子加速器來提高原子核速度，讓其碰撞。實驗証實，這種方法可以發生聚變反應，但是反應釋放出的能量遠小於加速原子核所消耗的能量，顯然，此種方法隻能做科學實驗，無法提供能源。

另一種方法是提高核燃料的溫度，物質溫度越高，意味著其微觀粒子的無規則速度越大。科學家發現，聚變反應需要的高溫可達上億攝氏度。那麼，問題就來了，上億攝氏度的高溫，什麼樣的“爐子”才能承受呢？

其實，在這個溫度上，物質都處於等離子體態，也就是說，物質的原子核和核外電子是分離的，電子不再受某一特定的原子核束縛成為自由電子，而原子失去電子也成為帶正電的離子。換言之，等離子體中的粒子“帶電”了。

科學家就此想到了磁場，因為帶電粒子在磁場中會繞磁力線做回旋運動，可以利用通過在容器內建立磁場來約束等離子體，使其不與容器壁直接接觸。於是，科學家在螺線管中，讓帶電粒子沿封閉的磁力線做螺旋式運動，上億度高溫的等離子體就乖乖地被約束在這種環形的磁場中了。這種環形的磁場又叫“磁瓶”或“磁籠”，可把熾熱的等離子體“托舉”在空中。所以說，“東方超環”這次5000萬攝氏度高溫的表現，其實還有很大的成長空間。

對於這一過程，中國科學院等離子體物理研究所研究員、中國工程院院士李建剛是如此表述的——“磁約束聚變利用強磁場這一‘磁容器’來約束高溫等離子體，並進而將其加熱至上億度，從而維持連續的熱核反應，產生巨大能量。”

而這也就是“東方超環”——“托卡馬克”裝置的原理：該詞轉寫自俄語單詞Tokamak，是來源於環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）的生造詞。

■鏈接

EAST“世界紀錄”

高約束放電時間從60秒量級突破百秒量級

EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）本意為“先進實驗超導托卡馬克”，也具有“東方”的含意。EAST高11米、直徑4米、重達400噸，為我國第四代核聚變實驗裝置。

7月3日晚，EAST首次實現了5000萬攝氏度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行，實現了從60秒到百秒量級的跨越。

從60秒到跨越百秒，這個量級的變化意味著什麼呢？

李建剛介紹，我國核聚變能研究始於上世紀60年代初，EAST超導托卡馬克裝置於2006年初成功進行了工程調試，並於2006年成功開展了兩次物理實驗， 獲得了拉長截面偏濾器等離子體。

EAST實驗也先后創下多項托卡馬克運行的世界紀錄：2012年實現30秒高約束等離子體放電﹔2016年獲得60秒的完全非感應電流驅動（穩態）高約束模等離子體。

“穩態高約束運行模式”是國際熱核聚變實驗堆計劃的基本運行模式，也是未來反應堆需要解決的關鍵科學問題。作為國際重要的長脈沖核聚變實驗平台，EAST超導托卡馬克高約束放電時間實現百秒量級的突破，將為我國下一代核聚變裝置的建設和國際核聚變清潔能源的開發利用奠定堅實基礎。

“未來商用堆必須是全超導，才能實現穩態運行。”李建剛指出，全超導托卡馬克可實現穩態運行，並通過在穩態運行條件下大大改善約束，為未來穩態、先進聚變反應堆奠定工程技術和物理基礎。（記者 王詩? 策劃統籌：李江萍）