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摘要： 11月12日，中科院等离子体所今天发布消息，我国大科学装置“人造太阳”日前取得重大突破，实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，获得的多项实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件，朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步，也为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。 ★ 万物生长靠太阳。 要是我们能人造一个太阳， 像钢铁侠里面的托卡马克一样， 不但可控还能源源不断 为人类提供能量。 那该多好！ 未来， 可能这将不再是一个梦了！ 日前，我国“人造太阳” 又一次震撼了世界， 首次实现一亿摄氏度运行， 向梦想迈出了关键一步！
100000000℃的高温， 这是怎么回事儿呢？ 中国“人造太阳”1亿摄氏度 有什么用处呢？ 要弄懂这些问题， 我们要先了解一下 什么是“人造太阳”， “人造太阳”怎么造， 或许就知道答案了！ 来听听专家怎么说↓↓ 李建刚 中国工程院院士 中科院等离子体物理研究所研究员 演讲者 | 李建刚 本文转载自微信公众号“SELF格致论道讲坛”（ID：SELFtalks），原文首发于2018年11月12日 ，原标题为《中国“人造太阳”实现1亿度运行，这是可能永久解决能源问题的黑科技》。 1 人造太阳 受控的核聚变装置 大家都知道太阳，但什么是人造太阳？看过钢铁侠的人都知道，钢铁侠里面有一个人造太阳叫托卡马克，像一个磁线圈一样。如果把气体加热到上亿度，它就会发生聚变，可以像太阳一样发出巨大的能量。 如果是现实版的托卡马克的话，中国有两个人造太阳，一个在合肥，另一个在成都，分别叫合肥超环和中国的环流器1号。 太阳为人类产生了很多光和热，万物生长靠太阳。我们想要实现聚变，一个不可控因素就是氢弹。氢弹不能轻易地爆炸，要用原子弹去把它点一下，点到上亿度以后才有可能发生爆炸。 2 这个太阳怎么造？ 那么怎样能够实现“人造太阳”？我们先来了解一下聚变电站的原理吧！首先你要有磁笼子，用它形成一个等离子体，再用非常高的温度把它加热到上亿度，加热到上亿度以后就会产生氦和中子，中子就跑到包层材料里进行加热。加热以后，我们通过水把它转换成蒸汽，再通过蒸汽把电给发出去。这就是一个简单的聚变发电原理。 （聚变堆工作原理 图片来源于李建刚） 而“人造太阳”属于可控核聚变。可控核聚变发生的条件极为苛刻。要发生可控核聚变，必须将反应堆维持在上亿摄氏度的高温，只有在此条件下，注入的氚和氘的布朗运动才会变得超级剧烈，或者说是狂暴，此时氘和氚的原子核才会碰撞在一起，发生核聚变，产生一个氦核和一个中子，同时放出巨大的能量。 不幸的是，迄今为止，人类发明的最耐热的材料，也只能忍受数万摄氏度的温度，在一亿摄氏度以上的高温面前，一切材料都只能俯首称臣。于是，研究核聚变便归结为一个简单的问题：用什么东西约束住可控核聚变发生时的超高温物质？ 磁场！这是科学家们异口同声的答案。利用磁场约束住上亿摄氏度的等离子体，让这团等离子体“悬浮”于磁场之中，这样，就不需要耐高温容器了。在这团受约束的超高温等离子体中源源不断地注入氚和氘，人类就可以实现可控核聚变了！ 但是说起来简单，做起来没有那么容易，离实现还很遥远。我们要解决要用什么材料做磁笼子，不会消耗能量，因为我们想要实现的目标是维持一亿摄氏度。除此以外，还有很多其他问题待解决，比如一旦发生聚变的时候——氢弹爆炸，只要它发生爆炸的时候就会有强烈的冲击波，它跟周边材料(就是悬浮起来的也不行)发生强相互作用，所以控制要非常精确，精确到零点几个毫米和零点几个毫秒以下，否则只要一偏心，它就碰到什么烧什么。可以说这件事真是难，难于上青天。为什么?因为美国人在60年代已经上了天、登了月，但是他们到现在也没有做出一个能够真正发电的“人造太阳”。 3 1亿摄氏度意味着什么？ 那现在明白这个成就意味着什么了吧？它是继去年5000万摄氏度、101.2秒高约束模等离子体运行的世界纪录后，又创造了新的世界纪录，实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦；在电子回旋与低杂波协同加热下，等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度，这是可控核聚变必须达到的温度。 该实验实现了高约束、高密度、高比压的完全非感应先进稳态运行模式，获得的归一化参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件，为正在进行的中国聚变工程实验堆（CFETR）工程和物理设计提供了重要的实验依据与科学支持，也就意味着我们向“人造太阳”迈进了具有里程碑意义的一步。 4 中国聚变之路 有了装置以后，我们就觉得应该去做一个更大的事情——验证工程的可行性。 大约在1985年，尽管是冷战的时候，里根和戈尔巴乔夫也谈了一件象征着人类美好前景的事情——在地球上建一个人造太阳。这个人造太阳是50万千瓦，跟现在的发电站差不多。 谈判确定一共有七方参加，欧盟占最大一块45%，其他的六方——中国、日本、美国、韩国、印度各占9%，共出资100亿欧元，要在法国Cadarache（卡达拉舍）建世界第一个真正意义上的人造太阳，叫国际热核聚变实验堆ITER。它要运行20年，即需要能够在大规模的、几十万千瓦的基础上运行很长时间。这就是要验证聚变的工程可行性。到底规模有没有这么大，这么大的规模以后行不行？这里牵扯到特别多的技术。这是中国参加的一个最大的国际合作项目，价钱是100亿欧元，其中中国占9%，也是9亿欧元，这是一个很大的数字。 首先它要形成的磁笼一共有18段，像橘子瓣一样。这是什么概念？波音747重量370吨，这一个线圈在360吨左右；价钱也是差不多的，波音747是2.6亿美元，这大概是2.8亿欧元。 我们国家在参加ITER之前是生产短样的。绕这么一个线圈，里面要将近十万米导线，重150吨。我们国家在参加这个国际合作之前，四十年之间只产生了36公斤短样。 ITER使得国内的企业发展得非常好，已经形成了全世界最先进的技术，规模和产量也是最大的。西安的有色金属研究院、西部超导公司现在一年可以生产150吨；除此之外，国内的核磁共振、GE的所有线几乎超过一半都是ITER的材料在供应；还有我国航母的歼15的起落架，飞机落地的一刹那冲击力非常大，所以对材料的要求非常之高，用ITER上面的材料终于解决了航母的起落架的问题。这是第一个例子。 第二个例子。刚才说的上亿度的东西的第一层屏蔽叫核导，长得像多脚的怪兽一样。它有多重？一百年前的埃菲尔铁塔是7300吨，而这个有8000吨，所以这个材料要难得多。这是一种特殊的不锈钢，它首先要降到零下269度，同时它要耐强辐射，我们国家在参加ITER之前从来没有生产过。参加ITER之后，通过跟国际合作，山西太钢现在可以年产15000吨，得到了很大的发展。 尽管聚变能离我们还是很遥远，但是通过国际合作，中间产生的过程和技术都能够非常好地用在国民经济上。 5 未来中国的聚变到底怎么做？ 60年内实现商用 未来中国的聚变到底怎么做？咱们的聚变到底什么时候才能实现？ 我们现在正在做实验装置、参加ITER，但是希望十年以后能建造中国自己的工程堆，这样才能够验证发电。有了这个东西以后，在50年到60年之间就能商用化。 这是我们设计的中国工程聚变堆，里面有一个主机装置。这个设计象征着大鹏展翅腾飞，象征着人类追求聚变的梦想，象征中华民族腾飞的梦想。 经过二三十年的努力，真正的人造太阳会冉冉升起，对中国来讲，聚变的需求比任何一个国家都急迫。 1982年我到了合肥的一座非常偏僻的岛上——董铺岛，一做就是34年。非常有幸，作为一个中国的科学家，每一任领导都到过现场，这给了我们很高的鼓励，也包括俄罗斯的总理，他们都说过同样一句话——中国需要能源，中国一定要在人类实现这种聚变的路上起到不可取代的作用。 50年前，人类就有个梦想——希望实现人造太阳。上大学的时候，我也有这个梦想。我希望在有生之年能够做出人造太阳，让没有被文明照亮的地方被聚变能点亮。 作为一个中国人，我希望第一个聚变电站是最好的，而且必须要建在中国。 |
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