我國聚變科學(xué)裝置“人造太陽”取得重大突破

近日，一則新聞引起了媒體的廣泛關(guān)注：我國聚變科學(xué)裝置“人造太陽”取得重大突破，等離子體中心溫度首次達(dá)到一億攝氏度。

這一億度可不是簡單的一個數(shù)字，它是在多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)接近聚變電站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式所需要的物理?xiàng)l件的環(huán)境中首次實(shí)現(xiàn)的，也就意味著我們第一次可以更加真實(shí)的模擬未來商用聚變堆，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，測試是否會出現(xiàn)其他未知的物理或者工程問題，為人類開發(fā)利用核聚變清潔能源奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

看到這個消息，想必大多數(shù)非聚變領(lǐng)域的吃瓜群眾會為國家感到自豪之余更會一頭霧水：聚變！什么意思？“人造太陽”是個啥？等離子體？不懂！一億攝氏度，溫度挺高的吧···自認(rèn)為是聚變界的一員的我，覺得有責(zé)任而且很有必要給大家細(xì)致入微的回答上述問題。所以跟著我，走進(jìn)這個奇妙的聚變世界。

首先呢對聚變世界進(jìn)行一下分類：自然界的聚變?nèi)?，包括大家所熟知的太陽以及其他恒星；人類社會的聚變?nèi)?，又可分為邪惡的即以氫彈為代表的武器圈和正義的以聚變發(fā)電為重點(diǎn)的能源圈。

這三個圈有個最為顯著的共性就是都是用聚變的方式釋放能量，聚變呢其實(shí)就是簡單的將兩個很輕的原子核比如說氫核擠在一塊然后變身成為氦，神奇的是生成的新的原子核的質(zhì)量比倆氫核質(zhì)量加起來要小，質(zhì)量去哪了呢？偉大的愛因斯坦解釋說，質(zhì)量是可以轉(zhuǎn)化為能量滴，要是有興趣的話可以關(guān)注一下他的質(zhì)能方程。

所以說，聚變就釋放能量啦，而且這能量很大，所以太陽才會溫度那么高，所以氫彈爆炸時(shí)會有人看到羅布泊上升起了第二個太陽。這么大的能量要是可以為人類所用，是不是就可以登上人類巔峰了，從此吃喝不愁呢？是的，沒毛病。接下來就給大家分析為啥我們需要開發(fā)這種能源——以聚變的形式來發(fā)電。

圖1 兩個原子核碰撞發(fā)生聚變

眾所周知，我們現(xiàn)在處在一個經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)代，而這完全得益于廣泛使用的化石能源，如石油、天然氣、煤炭等，可這些的儲量是有限的，據(jù)估算，以現(xiàn)在的消耗速度，石油還可以使用50年，天然氣可以用60年，煤炭可以用200年！要是能源消耗完了，工廠無法工作，商品無法大規(guī)模生產(chǎn)，科技無法進(jìn)步，那么我們就可以開開心心的體驗(yàn)古人的生活了，更加可怕的是，現(xiàn)在的多數(shù)中東戰(zhàn)爭都是由于化石能源的重新分配引起的，要是能源危機(jī)爆發(fā)的話，后果是什么，世界大戰(zhàn)？不敢想象……

這個時(shí)候，大概會有人問，不是還有風(fēng)能、太陽能、水能等等新能源嗎？那問題是，沒有風(fēng)怎么辦，晚上怎么辦，離水源很遠(yuǎn)怎么辦，這些新能源功力太低，能量不大，受限制明顯，難堪大用。所以我們需要找一個原料充裕，能量夠高的能源解決此困境。聚變能，開始登上歷史舞臺。

圖2 日益枯竭的化石能源

說起聚變能，其實(shí)有一段很有趣的歷史，就是在20世紀(jì)五六十年代關(guān)于使用聚變能的方式的討論，有的科學(xué)家提議，氫彈既然可以釋放那么大能量，我們可以用它來改造地形啊，比如開第二條蘇伊士運(yùn)河，拓寬巴拿馬運(yùn)河，有的科學(xué)家設(shè)想，可以用大量的環(huán)繞太陽的衛(wèi)星組成一個球體直接獲得太陽的聚變能，這也就是科幻界著名的設(shè)計(jì)“戴森球”?？茖W(xué)家的腦洞的確很大，但可惜這兩種方式一個假借利用氫彈造福人類其實(shí)目的是軍備競賽，另一個終究還是幻想。那怎么辦，人類沒救了嗎？不，腦洞大開的科學(xué)家們產(chǎn)生了大膽的想法：在地球上仿造一個太陽！

圖3 可控核聚變需要類似太陽的環(huán)境

之前說過，聚變能可以解決人類的能源問題，原因有二：首先聚變可以產(chǎn)生很大的能量，不信可以看看太陽；其次，原料問題，地球上目前可以用來進(jìn)行核聚變的原料是氫的同位素（氘、氚），氘在海水中儲量極為豐富，有45萬億噸，而且一升海水中的氘聚變后可以提供300升汽油燃燒釋放的能量，所以地球上蘊(yùn)藏的聚變能夠人類使用幾十億到幾百億年。是不是從此吃喝不愁，而且可以實(shí)現(xiàn)人類永久的和平，想想都很激動呢。那就趕緊種太陽啊，等什么呢，怎么現(xiàn)在都沒聽說可以聚變發(fā)電了？

真正美好的東西，總不會讓人那么輕易地得到。

核聚變之所以難，完全是因?yàn)樗蟮臈l件很是苛刻，太陽可以輕易的發(fā)生聚變是因?yàn)槠浜诵臏囟雀哌_(dá)1500萬攝氏度而且有很高的密度，氫彈則是依賴核心裝載的原子彈提供聚變點(diǎn)火的能量。所以我們在地球上種太陽，也就是實(shí)現(xiàn)可以被我們控制的核聚變（氫彈不可控），經(jīng)過計(jì)算，需要創(chuàng)造一個類似于太陽的環(huán)境，一個需要使原料達(dá)到1億攝氏度的環(huán)境。比太陽最高的溫度還要高10倍！而且當(dāng)氫元素被加熱到這么高的溫度時(shí)，他的狀態(tài)就會由氣態(tài)變成等離子體態(tài)，這種狀態(tài)類似于氣體，但是呢內(nèi)部帶電。

我們要建造的“人造太陽”就好比一個燒煤的爐膛，首先需要有耐高溫的爐子可以裝燃燒的煤，然后需要達(dá)到煤的燃燒溫度否則燒不起來，最終需要的是要保證煤可以一直保持燃燒的溫度否則燒一會就自己熄滅了。

所以問題就是，我們用什么來裝這些1億度的等離子體，我們能不能很好的理解等離子體的行為保證它可以穩(wěn)定的燃燒，畢竟這種狀態(tài)科學(xué)家此前并沒有研究太多。這可真的是一個全新的領(lǐng)域，路真的很難走，科學(xué)家們也一直在努力提出新的想法新的思路，很多不同種類的聚變裝置也建立了起來。為了給大家以信心，接下來就介紹一下60年來聚變界的進(jìn)步與成果。

圖4 氣態(tài)轉(zhuǎn)化為等離子體態(tài)

首先是我們用什么來“盛裝”這些等離子體，近一億度的溫度任何材料都承受不了，但因?yàn)榈入x子體有個特點(diǎn)就是帶電，既然帶電，科學(xué)家們就想到可不可以用一個磁場去裝，然后“磁約束”聚變的概念就出爐了，也就是用很強(qiáng)的磁場做成籠子，讓這些高溫燃料遠(yuǎn)離我們的“爐壁”。圍繞著“磁約束”聚變裝置的設(shè)計(jì)概念有很多，限于篇幅，今天只重點(diǎn)介紹在國際主流的裝置——托卡馬克上實(shí)現(xiàn)的突破。

圖5 “磁籠”盛裝等離子體

突破一：從20世紀(jì)70年代開始，國際上開始進(jìn)行托卡馬克裝置的研究工作，經(jīng)過不斷地努力，終于在20年后，歐洲的聚變裝置JET第一次實(shí)現(xiàn)了聚變功率16MW，同時(shí)輸出功率超過輸入功率的歷史性突破，這無異于給所有研究聚變的科學(xué)家一定心丸，因?yàn)榻K于從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)托卡馬克實(shí)現(xiàn)可控聚變是有科學(xué)可行性的。

但是，不幸的是，這個過程只持續(xù)了幾秒鐘，也就是說，不能長時(shí)間放電，還是不能商用。為什么呢？就是因?yàn)槲覄偛盘岬降?，我需要制作一個“磁籠”裝聚變?nèi)剂希墒沁@些磁場是要用外部很大的導(dǎo)線電流產(chǎn)生，導(dǎo)線有電阻，就會產(chǎn)生熱量（電熱爐的原理），所以導(dǎo)線承受不了長時(shí)間的運(yùn)行，不然就會燒壞。那怎么辦？

突破二：既然是因?yàn)閷?dǎo)線的原因使聚變不能一直進(jìn)行，那我可以把電阻降低直至為零啊，所以，超導(dǎo)托卡馬克的概念就誕生了，我把產(chǎn)生磁場的線圈變成超導(dǎo)體，這不就不會產(chǎn)生很大熱量了嘛。

于是2006年，世界上第一臺全超導(dǎo)托卡馬克EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）在中國合肥美麗的科學(xué)島上出生了。從這時(shí)開始，聚變界喜訊連連。2006年，EAST首次運(yùn)行就獲得了411秒2000萬度的等離子體放電，是連續(xù)運(yùn)行最長時(shí)間的世界紀(jì)錄。2017年，EAST實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2s高約束等離子體運(yùn)行，等離子體溫度達(dá)到了500多萬度，而且相比于06年可以更穩(wěn)定的約束更多等離子體。而今年，等離子體終于可以達(dá)到1億度了。這個消息最大的意義就在于，我們有了可以長時(shí)間讓聚變?nèi)剂显凇按呕\”中保持1億度并且放電的可行性了。

圖6 EAST裝置

“爐子”有了，溫度也能達(dá)到了，接下來只要能夠讓聚變?nèi)剂峡梢愿映志玫娜紵敲淳圩儼l(fā)電的一天就真正到了，我覺得離這一天不會太短也不會太長。重點(diǎn)是要保持一顆平常心，聚變是一個大工程，羅馬城也不是一天兩天建成的嘛。聚變領(lǐng)域最為人熟知的可能就是50年定律了，就是說離聚變發(fā)電永遠(yuǎn)還有50年，可大家應(yīng)該可以看到，每隔大約20年甚至10年，聚變領(lǐng)域就會有一個大的突破，隨著人類技術(shù)水平的提高，這個周期只會越來越短。不要太悲觀，因?yàn)槲覀円恢痹谶M(jìn)步；不要太過樂觀，因?yàn)槲覀儐栴}還有很多，許多相關(guān)的技術(shù)比如超導(dǎo)、材料、物理等都還不夠成熟。

圖7 聚變?nèi)祟悏裘乱郧蟮哪茉?/p>

總結(jié)一下，中國聚變實(shí)現(xiàn)一億度是個巨大的進(jìn)步，這表明世界離聚變發(fā)電更近了，但我們現(xiàn)在研究的都只是核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，只涉及到物理機(jī)制的研究和工程技術(shù)的儲備，都沒有涉及聚變反應(yīng)后發(fā)生的能量輸出環(huán)節(jié)，而我們目標(biāo)是要建造商用聚變電站，這個跨越可能面臨更多我們沒見過的問題。

此外，建造一個實(shí)驗(yàn)裝置動輒就需要幾億上十億美元，耗資仍然巨大。對一些高精尖技術(shù)比如大型超導(dǎo)磁體、大體積超高真空、等離子體控制工程等等的要求會越來越高。無論如何，有信心，多給聚變一點(diǎn)時(shí)間，它一定會給人類帶來一個水清天藍(lán)、寧靜祥和的新世界，而且更應(yīng)該相信第一盞“人造太陽”之火點(diǎn)亮的燈會在中國亮起。