新一代「人造太陽」是什麼?

2021-01-21 能源博物館

2020年12月4日14時，新一代「人造太陽」裝置——中國環流器二號M裝置（HL-2M）建成並實現首次放電，標誌著中國自主掌握了大型先進託卡馬克裝置的設計、建造、運行技術，聚變能研發再邁出一步。


▲ 中國環流器二號M裝置 ▲ 


「人造太陽」是什麼？


太陽是地球能量來源，太陽和其他許多恆星不斷發光釋放出能量就是輕核聚變的結果。太陽的直徑比地球大109倍，質量比地球重33萬倍。太陽中心溫度1500萬℃，壓力30萬億千帕，表面溫度6000℃，太陽的物質以高溫等離子體的形式存在。

 

太陽的巨大質量產生的引力，把高溫等離子體約束在一起，發生聚變反應，並維持聚變持續進行。人類研究聚變的目標始終是創造條件控制聚變過程，和平利用核能。可控核聚變裝置也因此通稱為「人造太陽」，寄託了人類對未來能源的期望。

 

上世紀中葉，人類開始研究聚變以來，已經提出超過三十種聚變方案。主要是慣性約束、磁約束兩大技術路線。

 

磁約束聚變方案中最具代表性的是託卡馬克。託卡馬克(Tokamak)是前蘇聯科學家於20世紀50年代發明的環形磁約束受控核聚變實驗裝置。中國環流器二號M裝置是我國目前規模最大、參數最高的先進託卡馬克裝置。

 

這一裝置是我國新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置，採用更先進的結構與控制方式，等離子體體積達到國內現有裝置2倍以上，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體離子溫度可達到1.5億℃，能實現高密度、高比壓、高自舉電流運行。



▲ 環流器二號M裝置模擬圖 ▲ 



中國環流器二號M裝置放電意味著可以做聚變研究的實驗。中國環流器已經有中國環流器一號、新一號和二號A裝置等三大國家重要科研設施。


「人造太陽」與時間賽跑


全世界主要國家都參與了的、已經在法國建造的國際熱核聚變堆（ITER）項目預計2025年放電，目標是驗證聚變堆的工程技術可行性，一旦成功，將進入驗證商用化階段，此後就能批量建設聚變電站。中國也已經啟動了中國聚變工程實驗堆（CFETR）的預研，如果成功立項，將進一步加快聚變能源的實現速度。

 

此前被人關注的「人造小太陽」是EAST裝置，2018年11月實現電子溫度1億℃等離子體運行，實現高約束、高密度、高比壓的完全非感應先進穩態運行模式。


▲ 合肥全超導託卡馬克實驗裝置（EAST） ▲ 


我國核能發展實施「熱堆-快堆-聚變堆」三步走戰略，聚變能是解決能源問題的最終一步。全球的「人造小太陽」都處在實驗堆階段，聚變最終將通過發電變成人類可用的能源。

 

人類已經論證了聚變能源的概念可行和科學可行性，接下來需要論證聚變堆的工程可行性及發電成本的經濟可行性。

 

聚變的能量密度大，是化石能源的百萬倍，所需原料豐富便宜，其中所需的氚海水中大量存在，預計可供人類用一百億年。聚變反應反應清潔，無汙染，無碳排放。

 

基於這些特點，聚變能源被認為是人類的終極能源。中國各地的「人造小太陽」裝置將培養聚變人才，築牢基礎研究的根基。

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