1.2亿摄氏度“燃烧”101秒，人造太阳何时成功？

2021-09-08罗宇

电脑报 2021年32期

关键词：燃烧核聚变等离子体

罗宇

掌握了核聚变能，人类将实现“能源自由”

煤、石油、天然气，这些人类赖以生存的不可再生能源终有一天将被耗尽。人类面临着严重的能源危机和环境危机。如何从根本上解决这一问题？寻找新能源。

万物生长靠太阳。可以说，太阳是地球最大的能量来源，它的表面温度约6000摄氏度，内核温度约1500万摄氏度，像一个熊熊燃烧的大火球，每秒钟可散发出相当于1亿亿吨煤炭完全燃烧产生的能量。

太阳为什么能产生这么大的能量？因其内部持续不断的核聚变反应。而支撑这种聚变反应的主要原材料氘，在地球上的储量极其丰富。

据测算，从1升海水中提炼出的氘，经核聚变反应后释放的能量相当于300升汽油燃烧的能量。而海洋中蕴藏着约40万亿吨氘，理论上用于聚变反应释放的能量足够人类使用上百亿年，几乎无穷无尽。

由此，模仿太阳聚变反应原理造一个“太阳”，被科学家们认为是解决人类能源危机的最佳方案。核聚变的原理是由质量较小的原子——如氢的同位素氘、氚，在极高温条件下使核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核相互碰撞聚合，生成新的质量更重的原子核氦，由于质量亏损和质能转换，释放巨大的能量。

“简单来说，地球上‘最容易实现的氘氚核聚变反应的最终生成物是氦和携带能量的中子，而氦是非常清洁的。”这是一种清洁能源，没有碳排放，没有放射性废料，也不会出现燃料棒熔断的灾难，比风能和太阳能稳定，被认为是一种理想的“终极能源”。“一旦掌握了核聚变能，人类将实现‘能源自由。”

1.2亿摄氏度下的等离子体反应

现实中，中国真的有“人造太阳”，近日中国“人造太阳”托卡马克在1.2亿摄氏度下持续了长达101秒的等离子体反应，创造了核聚变领域的新纪录，这一突破可能为碳中和能源的未来铺平道路。

EAST（实验先进超导托卡马克）或 HT-7U 是一种定制的聚变反应堆，自2006 年以来已分不同阶段运行。EAST的建造具有十分重大的科学意义，它不仅是一个全超导托卡马克，而且具有会改善等离子体约束状况的大拉长非圆截面的等离子体位形，它的建成使我国成为世界上少数几个拥有这种类型超导托卡马克装置的国家之一，使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。

在装置建成后的10～15年期间，能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究，并使中国在人类开发清洁而又无限的核聚变能的领域内做出自己应有的重大贡献。

EAST的大小半径只有国际热核聚变试验堆（即ITER）的1/3和1/4，位形与ITER相似且更加灵活。EAST是一个近堆芯高参数和稳态先进等离子体运行科学问题的重要实验平台，它将是在ITER之前国际上最重要的稳态偏滤器托卡马克物理实验基地。

与世界上许多托卡马克实验一样，EAST 之前也曾达到过聚变。在托卡马克的球形容器内，太阳温度般炽热的等离子体，在由过冷电磁体固定在适当位置的圆圈中旋转。这个磁场中，3.6亿摄氏度等离子体和一堆人造材料融合，不同的原子核粉碎在一起，这需要巨大的能源投资。

2018 年托卡马克达到 1.8 亿华氏度，即约 8200万摄氏度，但當时，EAST只能维持等离子体反应约 10 秒。这还不够热，也不够长，但此次EAST达到的1.2 亿摄氏度和 101 秒肯定是一个纪录。

虽然人造太阳的新纪录很棒，但距离自我维持的等离子体反应或“点火”还有很长的路要走。这可能涉及更高的温度，并保持更长的时间。至于世界上其他备受瞩目的反应堆，英国的 MAST 反应堆最近成为头条新闻，其新的排气系统比其前身减少了 10 倍的热量。与此同时，全球国际热核实验反应堆（ITER）有望建造有史以来最大的托卡马克，每个实验反应堆都有帮助推动技术进步以帮助其他反应堆实现目标。

EAST的未来可能涉及ITER、韩国的KSTAR 反应堆、MAST 甚至包括托卡马克研究人员的经验成果，这些研究人员正在消除聚变能的主要障碍。