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1.2億攝氏度燃燒101秒

中國(guó)人造太陽(yáng)是怎么造出來(lái)的

有一部小說(shuō)叫《中國(guó)太陽(yáng)》，講的是農(nóng)村小伙兒水娃不斷奮斗，借助“中國(guó)太陽(yáng)”工程成為深空宇宙開(kāi)拓者，為人類解決能源問(wèn)題的故事。

現(xiàn)實(shí)中，中國(guó)真的有“人造太陽(yáng)”，而且有兩個(gè)：一個(gè)在安徽合肥西郊“科學(xué)島”上的中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院內(nèi)，是有著“東方超環(huán)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(簡(jiǎn)稱EAST)；另一個(gè)則是位于四川成都中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院的中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置(HL-2M)。

5月28日，“東方超環(huán)”再次刷新了世界紀(jì)錄：在其第98958次放電中，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，是1億攝氏度20秒原紀(jì)錄的5倍。這意味著人類讓核聚變成為未來(lái)清潔新能源的努力，又一次取得了突破性進(jìn)展，標(biāo)志著我國(guó)在穩(wěn)態(tài)高參數(shù)磁約束聚變研究領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)引領(lǐng)國(guó)際前沿。

那么，為什么有了太陽(yáng)，還要造“太陽(yáng)”？“人造太陽(yáng)”長(zhǎng)什么樣？是怎么造出來(lái)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(shí)現(xiàn)“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(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)。如何從根本上解決這一問(wèn)題？尋找新能源。

萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)?？梢哉f(shuō)，太陽(yáng)是地球最大的能量來(lái)源，它的表面溫度約6000攝氏度，內(nèi)核溫度約1500萬(wàn)攝氏度，像一個(gè)熊熊燃燒的大火球，每秒鐘可散發(fā)出相當(dāng)于1億億噸煤炭完全燃燒產(chǎn)生的能量。

太陽(yáng)為什么能產(chǎn)生這么大的能量？因其內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)。而支撐這種聚變反應(yīng)的主要原材料氘，在地球上的儲(chǔ)量極其豐富。

據(jù)測(cè)算，從1升海水中提煉出的氘，經(jīng)核聚變反應(yīng)后釋放的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒的能量。而海洋中蘊(yùn)藏著約40萬(wàn)億噸氘，理論上用于聚變反應(yīng)釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無(wú)窮無(wú)盡。

由此，模仿太陽(yáng)聚變反應(yīng)原理造一個(gè)“太陽(yáng)”，被科學(xué)家們認(rèn)為是解決人類能源危機(jī)的最佳方案。

核聚變的原理是由質(zhì)量較小的原子——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(gè)原子核相互碰撞聚合，生成新的質(zhì)量更重的原子核氦，由于質(zhì)量虧損和質(zhì)能轉(zhuǎn)換，釋放巨大的能量。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，地球上‘最容易’實(shí)現(xiàn)的氘氚核聚變反應(yīng)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(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所的鄢容博士告訴記者，這是一種清潔能源，沒(méi)有碳排放，沒(méi)有放射性廢料，也不會(huì)出現(xiàn)燃料棒熔斷的災(zāi)難，比風(fēng)能和太陽(yáng)能穩(wěn)定，被認(rèn)為是一種理想的“終極能源”。“一旦掌握了核聚變能，人類將實(shí)現(xiàn)‘能源自由’。”

受益的無(wú)疑是整個(gè)人類社會(huì)。

形似“甜甜圈”，擁有“超燃”內(nèi)核 超高溫、超低溫、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超大電流等極端環(huán)境“熔于一爐”

從上世紀(jì)50年代開(kāi)始，世界科學(xué)家們便開(kāi)始了在可控核聚變領(lǐng)域的研究。

通過(guò)科研人員的不懈努力，1994年，我國(guó)第一個(gè)圓截面超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“合肥超環(huán)”(HT-7)研制成功，使我國(guó)成為繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國(guó)家，也是我國(guó)建成并投入運(yùn)行的首個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置。

這次創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄的主角——EAST則是在“合肥超環(huán)”基礎(chǔ)上，由我國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)的世界上第一個(gè)全超導(dǎo)磁體、非圓截面托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，主體部分高11米、直徑8米、重400多噸。

如此一個(gè)龐然大物，到底長(zhǎng)什么樣？有人說(shuō)像一個(gè)巨大的罐子，有人說(shuō)像一個(gè)大鍋爐，還有人說(shuō)像一個(gè)超大號(hào)的高壓鍋。而在致力于核聚變研究40年的中國(guó)工程院院士李建剛看來(lái)，EAST就像我們吃的甜甜圈一樣。

不過(guò)這個(gè)“甜甜圈”與眾不同，由真空室、縱場(chǎng)線圈、極向場(chǎng)線圈、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統(tǒng)等六大部件組成，四周布滿了大大小小的輔助加熱、診斷、抽氣和冷卻裝置，零件數(shù)量相當(dāng)于5架波音777飛機(jī)的零件總和。而且擁有“超燃”內(nèi)核——超高溫、超低溫、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超大電流等極端環(huán)境“熔于一爐”。

這是一個(gè)“超難”的集合體。

據(jù)鄢容博士介紹，想實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，首先要達(dá)到1億攝氏度以上，使聚變?nèi)剂贤耆婋x，并在保證等離子體密度的前提下，將高溫等離子體維持相對(duì)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，才可能釋放出足夠多的能量。“托卡馬克的高溫物質(zhì)，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(shí)間這三個(gè)要素缺一不可，相互協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)約束。”

實(shí)現(xiàn)上億攝氏度點(diǎn)火是實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電的兩大難點(diǎn)之一。上億攝氏度是什么概念？相當(dāng)于太陽(yáng)核心溫度的6.67倍。

為了實(shí)現(xiàn)如此高溫，科學(xué)家們采用了微波、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(dāng)于約6.8萬(wàn)臺(tái)家用微波爐一起加熱。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所王騰博士說(shuō)。

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。用什么承載上億攝氏度的高溫等離子體？科學(xué)家們的方法是用磁場(chǎng)做成“籠子”，把那團(tuán)上億度的火球懸浮起來(lái)，使所有電離了的等離子體只能沿著磁力線運(yùn)動(dòng)，不讓它與周邊的任何容器材料接觸，從而保護(hù)裝置材料不被燒毀。據(jù)鄢容博士介紹，EAST由16個(gè)縱場(chǎng)線圈、14個(gè)極向場(chǎng)線圈構(gòu)成，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度是地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的近7萬(wàn)倍。

為了達(dá)到強(qiáng)磁場(chǎng)，“人造太陽(yáng)”還需要超過(guò)12000安培的超大電流，強(qiáng)度是普通家用空調(diào)的數(shù)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(yuǎn)的地方，上演了現(xiàn)實(shí)版的“冰火兩重天”。“這就需要實(shí)現(xiàn)地表大氣壓約一千億分之一強(qiáng)度的‘超高真空’來(lái)‘隔熱’。”科研人員介紹說(shuō)。

自立自強(qiáng)，“超級(jí)材料”中國(guó)造 盼望核聚變點(diǎn)亮的第一盞燈在中國(guó)

“超高溫”與“超低溫”共存，“超強(qiáng)磁場(chǎng)”與“超大電流”并行，要在地球上造出“人造太陽(yáng)”，必須要有性能極其特殊的材料承載。超導(dǎo)便是其中之一。

“超導(dǎo)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(dǎo)體發(fā)熱，實(shí)現(xiàn)‘人造太陽(yáng)’的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。”李建剛說(shuō)，當(dāng)年中國(guó)啟動(dòng)研制“人造太陽(yáng)”的時(shí)候，超導(dǎo)技術(shù)控制在少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家手中，向國(guó)外購(gòu)買超導(dǎo)材料，有的出爾反爾不賣，有的開(kāi)價(jià)高，還只賣三流產(chǎn)品。

材料被“卡脖子”，怎么辦？我國(guó)科學(xué)家決定自己做。

邊建設(shè)邊研發(fā)。從超導(dǎo)材料、超導(dǎo)接頭、超導(dǎo)配線，到大型磁體系統(tǒng)……如今我國(guó)已擁有世界先進(jìn)的超導(dǎo)技術(shù)。“可以說(shuō)，研制‘人造太陽(yáng)’，也推動(dòng)中國(guó)的超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)前進(jìn)了20年。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長(zhǎng)、等離子體物理研究所所長(zhǎng)宋云濤介紹，如今中國(guó)已成為世界上超導(dǎo)材料的最大出口國(guó)，從被“卡脖子”的對(duì)象成為主供應(yīng)商。

除此之外，還衍生出一系列重要的創(chuàng)新成果，在低溫技術(shù)、等離子體技術(shù)、生物技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等多個(gè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)板塊，推動(dòng)一大批高新技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。

隨著EAST研制工作推進(jìn)，2003年，我國(guó)正式以“平等伙伴”身份加入了國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃。但在2001年之前，這個(gè)“俱樂(lè)部”一直將我國(guó)拒之門外。通過(guò)科研人員的不懈努力，如今，我們實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越，走向了世界聚變舞臺(tái)的中心。

去年7月至今年4月底，EAST迎來(lái)了新一輪改造升級(jí)。此次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)1.2億攝氏度101秒等離子體運(yùn)行，是我國(guó)在國(guó)際上首次采用全金屬主動(dòng)水冷第一壁、高性能鎢偏濾器等關(guān)鍵技術(shù)。“我們通過(guò)高功率的射頻波加熱，通過(guò)主動(dòng)水冷偏濾器，通過(guò)精密的等離子體控制，特別是等離子體與材料強(qiáng)相互作用這一方面，克服了許多工程和技術(shù)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(jī)的一個(gè)重要的保障。這一成績(jī)的取得，也標(biāo)志著我國(guó)在穩(wěn)態(tài)高參數(shù)磁約束聚變研究領(lǐng)域處在國(guó)際領(lǐng)先水平。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所托卡馬克物理研究室主任龔先祖說(shuō)，這進(jìn)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(chǔ)。

“我最大的夢(mèng)想就是在有生之年，讓世界第一個(gè)核聚變反應(yīng)堆率先在中國(guó)發(fā)電，一盞盞燈泡被核聚變能點(diǎn)亮，而且點(diǎn)亮的第一盞燈泡一定要在中國(guó)。”李建剛說(shuō)。

從用羽絨服換回設(shè)備到全球第一

全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)是我國(guó)批準(zhǔn)立項(xiàng)的“九五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，擁有類似太陽(yáng)的核聚變反應(yīng)機(jī)制，因此也被稱為“人造太陽(yáng)”。

EAST的發(fā)展歷程可追溯到上世紀(jì)90年代。當(dāng)時(shí)，我國(guó)用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換了蘇聯(lián)價(jià)值1800萬(wàn)盧布的T-7半超導(dǎo)托卡馬克裝置。在經(jīng)濟(jì)非常困難的情況下，我國(guó)科研人員依靠自己的力量，對(duì)T-7及其低溫系統(tǒng)進(jìn)行了根本性改造。1994年，我國(guó)第一個(gè)圓截面超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“合肥超環(huán)”(HT-7)研制成功。

在HT-7成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，“九五”國(guó)家重大科學(xué)工程HT-7U(后改名為EAST)立項(xiàng)，并多次刷新世界紀(jì)錄。以下為其大事記：

●1998年7月，通過(guò)國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)立項(xiàng)。

●2000年10月，正式開(kāi)工建設(shè)。

●2003年10月，HT-7U正式改名為EAST。

●2006年2月，首次工程調(diào)試成功；同年9月，成功獲得首次高溫等離子體放電。

●2007年1月，成功獲得首次大拉長(zhǎng)偏濾器位型放電。同年3月，通過(guò)國(guó)家竣工驗(yàn)收。

●2009年，成功獲得穩(wěn)定重復(fù)的60秒非圓截面雙零偏濾器位型等離子體放電。

●2010年，成功實(shí)現(xiàn)了大于60多倍能量約束時(shí)間高約束模式(H模)等離子體放電，100秒1500萬(wàn)攝氏度偏濾器長(zhǎng)脈沖等離子體放電。

●2012年，成功獲得超過(guò)400秒的2000萬(wàn)攝氏度高參數(shù)偏濾器等離子體；獲得穩(wěn)定重復(fù)超過(guò)30秒的高約束等離子體放電。

●2016年，實(shí)現(xiàn)電子溫度超過(guò)5000萬(wàn)攝氏度、持續(xù)時(shí)間102秒的超高溫長(zhǎng)脈沖等離子體放電。

●2017年，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

●2018年，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；在電子回旋與低雜波協(xié)同加熱下，等離子體中心電子溫度達(dá)到1億攝氏度。

●2021年5月28日，創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行。 

原標(biāo)題：中國(guó)人造太陽(yáng)是怎么造出來(lái)的