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近日，我國大科學裝置「東方超環」取得重大突破，等離子體中心電子溫度首次實現1億攝氏度運行近10秒。「東方超環」是我國自主設計研製的磁約束核聚變實驗裝置，也被稱為「人造太陽」，因為它的目標就是像太陽一樣發生核聚變為人類提供能源。與2018年首次實現1億度溫度相比，這次的創舉實際上是將1億度維持了近10秒，是「東方超環」取得的重大突破。如果能較長時間維持1億度的高溫，那人類距離解決核聚變商業化應用真的就不遠了。「人造太陽」究竟怎麼造？聽中國工程院院士李建剛講述34年「追逐太陽」之路。 ... 李建剛，中國工程院院士，中科院等離子體物理研究所研究員 「人造太陽」——受控的核聚變裝置 大家都知道太陽，但什麼是「人造太陽」？看過鋼鐵俠的人都知道，鋼鐵俠裡面有一個「人造太陽」叫托卡馬克，像一個磁線圈一樣。如果把氣體加熱到上億度，它就會發生聚變，可以像太陽一樣發出巨大的能量。 如果是現實版的托卡馬克的話，中國有兩個「人造太陽」，一個在合肥，另一個在成都，分別叫合肥超環和中國的環流器1號。 太陽為人類產生了很多光和熱，萬物生長靠太陽。我們想要實現聚變，一個不可控因素就是氫彈。氫彈不能輕易地爆炸，要用原子彈去把它點一下，點到上億度以後才有可能發生爆炸。 為什麼要人造一個太陽？ 那麼怎樣能夠實現「人造太陽」？要把上億度的溫度裝到任何容器上都會頃刻之間煙消雲滅。於是科學家就想了一個辦法：把一團火球——上億度的等離子體，用磁的方法把它懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸，這個時候就可以把它加熱、控制，進而造出太陽。它的模樣就像你們吃的甜圈圈。 用這些非常複雜的儀器把上億度的東西放在中間持續地加熱，講講很容易，但實際操作非常難。 首先我們需要巨大的磁場，這個磁場要比地球南北級的磁場高兩萬倍以上，磁場越強越容易收得住。人類之所以沒有遭到來自太陽風這種粒子的損害，主要就是靠磁場把這種帶電粒子無形之間屏蔽起來。 所以現在要做的就是產生比地球高上萬倍的磁場，讓這團氣體懸浮起來。用的燃料是什麼？是海水裡面氫的同位素——氘和氚。海水裡面的氘有多少呢？它可以讓一千個電站使用上百億年，也就是說該資源是無限的。如果用愛因斯坦的公式計算的話，一杯水裡面產生的氘和氚是E=mc2 ,相當於300公升汽油。 它的好處在哪裡？首先它沒有高放的廢料，而我們現在用的裂變電站都是化石燃料，尤其是235，238。一旦發生事故，就會有長達上百萬年的放射性廢料。 聚變的產物是什麼？就是能源中子和氦氣。氦氣是非常清潔的，當年習總書記實地參觀時就問：為什麼說聚變是固有的安全性？那時候距離福島發生核事故剛剛一個月。 它導致事故的機率非常小，只有同時碰到地震和海嘯才有可能發生，或許上萬年才會出現一次。但現實中最有可能發生的不是這個，而是恐怖分子——可能恐怖分子開個飛機就把它炸了，但聚變電站不怕，因為它聚變的產物就是氦氣，只要一停機就沒有了。 總結一下，作為資源來講，它是無限的同時又是清潔的，所以長期以來被科學家認為是未來人類終極能源之一，可以大規模生產。未來可能有20%的可再生能源，但最大規模的一塊，即80%一定是靠聚變來維持的。 這個太陽怎麼造？ 一個一百萬千瓦的電站，上海一年大約只需要兩個。聚變電站需要多少東西呢?一年一個電站只需要一百公斤的重水和鋰；如果換成煤電站的話,一個一百萬千瓦的電站需要50萬噸煤；如果是核電站的話就需要30噸。 ... （聚變堆工作原理 圖片來源於李建剛） 這就是聚變電站的原理。首先你要有磁籠子，用它形成一個等離子體，再用非常高的溫度把它加熱到上億度，加熱到上億度以後就會產生氦和中子，中子就跑到包層材料里進行加熱。加熱以後，我們通過水把它轉換成蒸汽，再通過蒸汽把電給發出去。這就是一個簡單的聚變發電原理。 人類在這個方向一共做了50年，進展還是挺大的。我們知道，計算機每1.8年CPU的速度翻一倍，而聚變的發展速度基本上能做到跟它一樣快，甚至比它快兩個月，差不多16～17個月左右的時間，它的綜合參數也能夠翻一倍。 聚變最大的問題就是離實現還很遙遠，沒有像計算機這樣家喻戶曉。但可以說，聚變在過去50年中已經發展得非常非常快了。幾個代表性的成就是在一些已開發國家，像美國、歐洲和日本，他們在一些大裝置上都同時實現了可控的核聚變。 什麼叫可控的？就是跟人沒有關係。科學就是可重複，不管是誰去做都是同樣的結果，跟儀器沒有關係。只要是一樣的儀器，美國的「人造太陽」、歐洲的「人造太陽」還有日本的「人造太陽」，結果都是一樣地可重複，這就是科學。 我國做到了輸出的能量和輸入的能量之比等於1.25，即已經有了凈輸入。這是什麼意思？就是說從科學上已經驗證了這是可行的，但是工程上可不可行還不知道。 我們產生的磁籠子是用常規銅線做的，消耗了大量的能量。怎麼才能不消耗能量呢？如果把溫度降下來，一旦電阻等於0的話，消耗的能量頃刻之間就降到0，那麼我們就非常容易地拿到了聚變能量。 說起來容易做起來難。我國很多年前就開始做聚變了。托卡馬克不是中國人的發明，是蘇聯人的發明，他們概在1989年的時候有意把一套馬克裝置送給中國。當時我們所長說這是一個很好的機會，因為當時我們啥都不會。於是就用400萬人民幣的羽絨、瓷器、中國家具換來了一個1800萬盧布的裝置。 當時這個裝置還是比較好的。為什麼？因為在那時候，一個盧布相當於3.6美元，我們花了一年半的時間把它全部拆掉，又花了兩年的時間把它裝起來，在這上面做了大量的實驗，應該說還不錯。其他國家在這個裝置上面都只能做幾秒鐘高溫，而我們最多能做到60秒鐘一千萬度，因此成為了全國的十大新聞。 但是這還不行，還不能夠做到所有線圈的電阻都等於0，這時候我們就要做超導。什麼叫超導呢？就是要把上億度磁籠子的一團火球懸浮在-269℃的圈子裡面。想想看，等於說有兩個極端，一個溫度在108K以上——一億度以上，另一個溫度是非常冷的，4K，也就是零下269℃。這個是非常難的。 其次，一旦發生聚變的時候——比如氫彈爆炸，只要它發生爆炸的時候就會有強烈的衝擊波，它跟周邊材料(就是懸浮起來的也不行)發生強相互作用，所以控制要非常精確，精確到零點幾個毫米和零點幾個毫秒以下，否則只要一偏心，它就碰到什麼燒什麼。 這件事真是難，難於上青天。為什麼?因為美國人在60年代已經上了天、登了月,但是他們到現在也沒有做出一個能夠真正發電的「人造太陽」。 從能源的需求來講，中國比任何一個國家都需要能源。儘管我們相比來說很窮，但是我國幾任國家領導人都覺得這件事中國人一定要做。90年代初我們提出這個想法，在全世界率先做一個全超導的托卡馬克叫「東方超環」，能夠長時間地做到上億度，比太陽心部的溫度還要高五六倍！ 在九五的大工程的國內一百多個提議中，該提議終於勝出，然後我們就開始做這樣的裝置。做這個裝置，第一就是要解決上億度和零下269度的矛盾。 解決上億度和零下269度，很多技術必須要用在一起。首先，真正的上億度的高溫要用磁場把它懸浮起來，就是超導，上面全部是線圈。懸浮在中間以後，等離子那裡有個火球——蜘蛛俠那個球，溫度越高它越要到處跑。比如太陽，因為溫度高，所以太陽黑子來了。跑的過程中一定要想辦法控制住，讓它一定懸浮在中間，不能夠上下跑。在不亂跑的情況下，才不會把材料燒壞。 除此之外，能量的損失靠傳導、對流和輻射。最小輻射損失就是全部用真空，用五層真空實現了一億度和零下269度的結合。 在此之前全世界沒有人做過，因此所有的東西都需要我們自己做。當時國內的經濟不像現在這麼好，萬元熙院士帶領整個團隊做了整整十年，突破了很多難點，終於在2006年得到了等離子體，大概幾百萬度，但是它只有幾秒鐘時間。 我們想要實現的目標不只是幾百萬度幾秒鐘，我們想做得更長。難度在哪裡？材料！做聚變，幾乎都要用到當今地球上所有材料、技術的極致。比如說，其中要採取的材料是一種最硬的合金——鎢合金。在這個空間裡，我們要加上上億的溫度讓它懸起來，同時還要防止衝擊波。只要有衝擊波的強放射，就要趕快把它拿走、抽走。這裡用的大抽速是零下269度的低溫棒。 中國聚變之路 有了裝置以後，我們就覺得應該去做一個更大的事情——驗證工程的可行性。 大約在1985年，儘管是冷戰的時候，里根和戈巴契夫也談了一件象徵著人類美好前景的事情——在地球上建一個「人造太陽」。這個「人造太陽」是50萬千瓦，跟現在的發電站差不多。 談判確定一共有七方參加，歐盟占最大一塊45%，其他的六方——中國、日本、美國、韓國、印度各占9%，共出資100億歐元，要在法國Cadarache（卡達拉舍）建世界第一個真正意義上的「人造太陽」，叫國際熱核聚變實驗堆ITER。它要運行20年，即需要能夠在大規模的、幾十萬千瓦的基礎上運行很長時間。這就是要驗證聚變的工程可行性。到底規模有沒有這麼大，這麼大的規模以後行不行？這裡牽扯到特別多的技術。這是中國參加的一個最大的國際合作項目，價錢是100億歐元，其中中國占9%，也是9億歐元，這是一個很大的數字。 首先它要形成的磁籠一共有18段，像橘子瓣一樣。這是什麼概念？波音747重量370噸，這一個線圈在360噸左右；價錢也是差不多的，波音747是2.6億美元，這大概是2.8億歐元。 我們國家在參加ITER之前是生產短樣的。繞這麼一個線圈，裡面要將近十萬米導線，重150噸。我們國家在參加這個國際合作之前，四十年之間只產生了36公斤短樣。 ITER使得國內的企業發展得非常好，已經形成了全世界最先進的技術，規模和產量也是最大的。西安的有色金屬研究院、西部超導公司現在一年可以生產150噸；除此之外，國內的核磁共振、GE的所有線幾乎超過一半都是ITER的材料在供應；還有我國航母的殲15的起落架，飛機落地的一剎那衝擊力非常大，所以對材料的要求非常之高，用ITER上面的材料終於解決了航母的起落架的問題。這是第一個例子。 ... （核導 圖片來源於李建剛） 第二個例子。剛才說的上億度的東西的第一層屏蔽叫核導，長得像多腳的怪獸一樣。它有多重？一百年前的艾菲爾鐵塔是7300噸，而這個有8000噸，所以這個材料要難得多。這是一種特殊的不鏽鋼，它首先要降到零下269度，同時它要耐強輻射，我們國家在參加ITER之前從來沒有生產過。參加ITER之後，通過跟國際合作，山西太鋼現在可以年產15000噸，得到了很大的發展。 儘管聚變能離我們還是很遙遠，但是通過國際合作，中間產生的過程和技術都能夠非常好地用在國民經濟上。 未來中國的聚變到底怎麼做？ 60年內實現商用 未來中國的聚變到底怎麼做？咱們的聚變到底什麼時候才能實現？ 我們現在正在做實驗裝置、參加ITER，但是希望十年以後能建造中國自己的工程堆，這樣才能夠驗證發電。有了這個東西以後，在50年到60年之間就能商用化。 ... 這是我們設計的中國工程聚變堆，裡面有一個主機裝置。這個設計象徵著大鵬展翅騰飛，象徵著人類追求聚變的夢想，象徵中華民族騰飛的夢想。 經過二三十年的努力，真正的「人造太陽」會冉冉升起，對中國來講，聚變的需求比任何一個國家都急迫。 1982年我到了合肥的一座非常偏僻的島上——董鋪島，一做就是34年。非常有幸，作為一個中國的科學家，每一任領導都到過現場，這給了我們很高的鼓勵，也包括俄羅斯的總理，他們都說過同樣一句話——中國需要能源，中國一定要在人類實現這種聚變的路上起到不可取代的作用。 ... 50年前，人類就有個夢想——希望實現「人造太陽」。上大學的時候，我也有這個夢想。我希望在有生之年能夠做出「人造太陽」，讓沒有被文明照亮的地方被聚變能點亮。 作為一個中國人，我希望第一個聚變電站是最好的，而且必須要建在中國。

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文章來源取自於：

每日頭條 https://kknews.cc/science/r646z6r.html

博客來 https://www.books.com.tw/exep/assp.php/888words/products/0010850630

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