中國新一代「人造太陽」建成,它能帶來什麼?

2020-12-12 澎湃新聞

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作者丨Decode

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2020 年 12 月 4 日，中國環流器二號 M 裝置（HL-2M）在成都正式建成，並實現了首次放電。

HL-2M 是中國目前規模最大、參數最高的先進託卡馬克裝置。它的建成，標誌著中國掌握了大型先進託卡馬克裝置的設計、建造和運行技術，為中國核聚變堆的自主設計和建造，打下了堅實的基礎。

由於核聚變原理和太陽發光發熱原理相似，因此像 HL-2M 這樣的託卡馬克裝置，被稱之為「人造太陽」。

中國環流器二號 M ，圖片來自人民日報

什麼是「託卡馬克」？

託卡馬克（Tokamak）是俄語「磁線圈環形真空室」的縮寫，最早由蘇聯科學家在 20 世紀 50 年代提出。本質上，託卡馬克是一個由封閉磁場組成的「容器」，形狀就像一個放倒的輪胎。它被發明出來，是為了容納溫度極高的核聚變反應。

要實現核聚變，得有高溫高壓的環境。太陽中心溫度「只」有 1500 萬度，但由於引力作用，壓強超過 2400 億個標準大氣壓，聚變反應可以自然而然地發生。

但對地球來說，事情就沒有這麼簡單了。核武器氫彈的原理就是核聚變，但這種聚變反應難以控制。真正在現實中應用，需要可控的聚變反應。在地球上，難以創造高壓環境，因此只能通過提高溫度到 1 億度左右，來實現可控聚變反應。

這就引發了一個問題，什麼樣的容器才能耐受如此高的溫度？20 世紀 50 年代，前蘇聯科學家提出了「磁約束」的概念，並且基於這個概念打造了環磁機（即託卡馬克）。

託卡馬克中央是一個環形的真空室，外面圍繞著線圈。科學家們在真空室內激發並維持一個強大的環形等離子體電流。這個電流與外面線圈電流一起，產生一定的螺旋型磁場，將其中的等離子體約束住，使其與外界儘可能地絕熱。

這樣，即使將等離子體加熱到上億的高溫，也不會破壞「容器」，因為它們一直被託舉在空中。

厲害在哪？

HL-2M 於 2009 年立項，由中核集團核工業西南物理研究院自主設計建造。

該機構的聚變科學所副所長鍾武律在接受中國之聲採訪時說：「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，具有先進偏濾器位形的優勢。」

它是中國目前規模最大、參數最高的先進的託卡馬克裝置。其體積是目前國內現有裝置的兩倍以上，等離子體的電流能力可以提高到 2.5 個兆安培，等離子體離子的溫度可以達到 1.5 億度，相當於太陽核心溫度的 10 倍。

HL-2M 建成後，進行了放電實驗。這是為了使 HL-2M 真空室內的氣體變成等離子體態，最終讓足夠多的等離子體加熱到 1 億攝氏度以上。

在 HL-2M 之前，中國已經建成了多個託卡馬克裝置，比如東方超環（EAST）和 HL-2M 的「前任」中國環流器二號 A（HL-2A）。

東方超環由中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所自主研製，曾經創造過多項世界紀錄。2018 年 11 月，東方超環首次實現了 1 億度等離子體放電，加熱功率超過 10 兆瓦，等離子體儲能增加到 300 千焦。2020 年 4 月，該裝置又實現了把 1 億度維持了近 10 秒。

東方超環裝置鳥瞰圖

HL-2A 的歷史更長，於 2002 年底完成，是中國第一個具有先進偏濾器位形的、非圓截面的託卡馬克裝置。HL-2M 正是在 HL-2A 的基礎上，改造升級而來。

為什麼要發展「人造太陽」？

在 21 世紀，能源問題是全人類面臨的主要問題之一。2020 年世界人口已經達到了 78 億，並且這個數字還在不斷增長，而地球上煤炭、石油和天然氣等不可再生的化石燃料資源，卻是有限的。一邊是不斷增加的人口，另一邊是不可再生的能源，人類需要一種新的能源供給方式。

核聚變被視為解決能源問題的終極方案。鍾武律解釋說：「（託卡馬克）這種裝置的原理和太陽發光發熱原理類似，就是核聚變......我們最終目的是要利用它來實現核聚變，並且釋放能量，用來發電。」

事實上，一個集結全球最前沿技術力量的「人造太陽」項目，已經在法國展開。2006 年，中國加入了「國際熱核聚變實驗堆」項目（ITER）。它位於法國南部卡達拉舍，是目前世界規模最大的核聚變反應堆，聚變功率高達 5 億瓦特（500 MW），相當於 10 平方米的太陽表面。

ITER 俯視圖

這個項目由七個成員實體共同資助和運行，分別是中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國。2020 年 7 月 28 日，ITER 重大工程安裝啟動儀式在法國舉行。

這個「人造太陽」計劃預計在 2025 年基本組裝完成，2035 年整體建設完成進入全負荷實驗階段，並在 2050 年進行商業投產。

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