科普來了 | 「造太陽的人」：為什麼我們還需要第二個太陽？

2020-12-08 創新浙江

近日，我國核聚變發展取得重大突破。2020年12月4日14時02分，新一代「人造太陽」裝置——中國環流器二號M裝置（HL-2M）在成都建成並實現首次放電，為我國核聚變堆的自主設計與建造打下堅實基礎。那麼，究竟什麼是「人造太陽」？中國環流器二號M裝置實現了哪些技術突破和自主創新？中國之聲獨家專訪了中核集團核工業西南物理研究院聚變科學所副所長鍾武律。

中國環流器二號M裝置（HL-2M）

為什麼我們還需要第二個太陽？

俗話說，萬物生長靠太陽，太陽的核心溫度大概在1500萬度～2000萬度，而地球上的金屬材料在1000度左右就會融化。鍾武律介紹，中國的「人造太陽」所要做的，就是在地球上建一個能夠承受住1億度、甚至超過2億度高溫的裝置。

鍾武律說：「太陽到目前為止估計已經燃燒了大約50億年，太陽為什麼能夠永不停歇的燃燒呢？是因為它的質量非常大，它靠這種萬有引力可以很強有力的把這些聚變材料，也就是它外層的氫元素原子核不斷的往太陽芯部擠壓，實現一個非常高的溫度，非常高的密度，自然而然就發生核聚變反應。」

鍾所長經常遇到人問他，我們已經有了一個太陽，為什麼還要再造一個太陽呢？鍾所長解釋說：「這種裝置的原理是和太陽發光發熱的原理是類似的，就是核聚變的原理，所以它不是一個新的太陽，而是一個聚變裝置，或者我們說它是一個聚變堆，其實我們最終的目的就是要利用它來實現核聚變，並且釋放能量，用來發電。」

核聚變實際上是整個宇宙的能源，建造「人造太陽」也是為了通過核聚變反應持續穩定地輸出能量，最終解決人類的能源問題，從而造福人類。由於核聚變的原理和太陽發光發熱的原理很相似，所以，這些以探索聚變清潔能源為目的的裝置被人們稱為「人造太陽」。

「人造太陽」是如何發電的？

目前，東方超環（EAST）、中國環流器二號A（HL-2A）、M（HL-2M）都屬於「人造太陽」實驗裝置。鍾武律介紹，此次建成的中國環流器二號M裝置（HL-2M）是我國新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置。他說：「這個裝置它是我國自主設計建造，採用了先進的結構和控制方式，具有先進的偏濾器位形的優勢。它是我國目前規模最大，參數最高的先進的託克馬克裝置，它的體積是目前國內現有裝置的兩倍以上，等離子體的電流的能力可以提高到2.5個兆安培，等離子體離子的溫度可以達到1.5億度的樣子，也就是說太陽核心溫度的10倍。」

在HL-2M裝置建設過程中，核工業西南物理研究院聯合國內多家研製單位，在裝置物理與結構設計、特殊材料研製、材料連接與關鍵部件研發、總裝集成等方面取得了多項突破，實現了可拆卸線圈結構，增強了控制運行水平，提升了裝置物理實驗研究能力；攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關鍵技術；掌握了具有國際先進水平的異形銅合金厚板材製造成型工藝，實現了高強度膨脹螺栓組件的自主國產化；研製成功國際先進水平的國內首臺大型立軸脈衝發電機組。以HL-2M裝置建設為牽引，西物院掌握的特種材料、關鍵設備、極端條件精密製造等關鍵技術，已形成「同步輻射」效應，在航空、航天、電子等前沿領域實現創新應用。

我們能控制得住「人造太陽」嗎？

核聚變，又稱核融合，簡單說，就是兩個質量較輕的原子核融合在一起形成一個重核的過程，它與核裂變原理相反。人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。

鍾武律介紹，想利用核聚變能，就必須要讓核聚變變得可控，這就意味著必須要滿足三個非常苛刻的條件。「第一個條件它需要的溫度特別高，因為只有溫度特別高，它這個原子核才會具備足夠高的動能，也就是原子核的才會跑得更快。第二個條件等離子體的密度要足夠高，高的概念就是原子核之間碰撞發生聚合反應的這種概率要提高。第三個就是要長時間地控制住這些原子核，就是將高溫高密度的核反應條件維持足夠長的時間，這樣才能夠使核聚變發生，並且可以持續下去。」

然而在地球上，沒有任何材料可以把1億度高溫的等離子體給直接包裹起來。但是科學家想到了一個辦法——用強磁場的方式，把帶電粒子約束住。鍾所長回到核西物院的時候，正好趕上2A團隊重點攻克一項關鍵技術——實現高約束模式運行。經過1萬多次的實驗，團隊終於在2009年於國內首次實現了高約束模運行。

「人造太陽」離我們並不遙遠

我國核能發展實施「熱堆-快堆-聚變堆」三步走戰略中，將聚變能作為解決能源問題的最終一步。

人類對於清潔能源的期待是沒有廢氣、沒有放射性廢物排放、資源豐富的一種能源。鍾武律介紹，核聚變能恰恰就是這樣一種能源。他說：「第一，核聚變的反應燃料，我們說它的資源是非常豐富的，其中核聚變反應的燃料氘它是可以從水裡面提取的。第二個特點就是核聚變它的反應是具有固有安全性的，它不存在所謂的不可控，不會存在所謂的爆炸。第三，因為核聚變反應它不會排放廢氣，不會有溫室氣體的產生，也不會產生長壽命的放射性產物。所以它是目前人類認識到的最理想的能源。」

鍾所長總喜歡在自己分享研究成果的時候以一首歌來結尾，這就是大家耳熟能詳的《種太陽》，他說，研究核聚變能的這種感覺就像人類第一次看到自己點燃了篝火——發光發亮，充滿希望。當下，從國際國內核聚變研究發展的概況和現狀來看，業界普遍認為，預計在本世紀中葉能夠實現聚變能的商業應用。

目前，國家原子能機構正在研究布局一體化核聚變研究創新體系，打造國家級核聚變創新研究平臺、國內外專家學者交流平臺、青年科學家成長平臺，全面促進我國核聚變事業由並跑向領跑邁進。

資料來源：央視新聞客戶端

編輯：楊博雅 校對：王琦琦

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