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　　人造太阳拥有可持续、清洁、安全等所有优点,因而被视为进入第四次工业革命的最强大的基石之一。中国科学院等离子体所11月12日发布消息,我国“人造太阳”项目获得重大突破,首次实现加热功率超过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首次达到1亿度。

　　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。

　　为什么要人造一个太阳?

　　人类总是希望获得可供社会持续发展、用之不竭的能量。科学家们认为有一颗人造的小太阳就可以获取用之不竭的能源。这一构想成为了国际科学界的长期梦想。上个世纪,核物理的重大突破,使人类初步认识到要想造一个太阳,就必须通过和太阳类似的核聚变装置来实现。于是各国开始了轰轰烈烈的核聚变研究。

　　怎样能够实现人造太阳?要把上亿度的温度装到任何容器上都会顷刻之间烟消云灭。于是科学家就想了一个办法:把一团火球——上亿度的等离子体,用磁的方法把它悬浮起来,跟周边的任何容器材料不接触,这个时候就可以把它加热、控制,进而造出太阳。它的模样就像大家吃的甜甜圈。

　　用这些非常复杂的仪器把上亿度的东西放在中间持续地加热,讲讲很容易,但实际操作非常难。首先我们需要巨大的磁场,这个磁场要比地球南北极的磁场高两万倍以上,磁场越强越容易收得住。人类之所以没有遭到来自太阳风这种粒子的损害,主要就是靠磁场把这种带电粒子无形之间屏蔽起来。

　　所以现在要做的就是产生比地球高上万倍的磁场,让这团气体悬浮起来。用的燃料是什么?是海水里面氢的同位素——氘和氚的聚变。海水里面的氘有多少呢?它可以让一千个电站使用上百亿年,也就是说该资源是无限的。如果用爱因斯坦的公式计算的话,一杯水里面产生的氘和氚是E=mc2 ,相当于300公升汽油。

　　它的好处在哪里?首先它没有高放的废料,而我们现在用的裂变电站都是化石燃料。一旦发生事故,就会有长达上百万年的放射性废料。聚变的产物是什么?就是能源中子和氦气。氦气是非常清洁的,它导致事故的概率非常小。

　　总结一下:氘氚核聚变作为资源来讲,它是无限的同时又是清洁的,所以长期以来被科学家认为是未来人类终极能源之一,可以大规模生产。未来可能有20%的可再生能源,但最大规模的一块,即80%一定是靠聚变来维持的。

　　这个太阳怎么造?

　　一个一百万千瓦的电站,上海一年大约只需要两个。聚变电站需要多少呢?一年一个电站需要一百公斤的重水和锂;如果换成煤电站的话,一个一百万千瓦的电站需要50万吨煤;如果是核电站的话就需要30吨煤。

　　聚变电站是如何运作的呢?首先要有磁笼子,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。

　　向着这一方向,人类努力了50年,取得了一定进展。计算机每1.8年CPU的速度翻一倍,而聚变的发展速度基本上能做到跟它一样快,甚至比它快两个月,差不多16～17个月左右的时间,它的综合参数也能够翻一倍。遗憾的是,聚变离实现还很遥远,但在过去50年中已经发展得非常非常快了,美国、欧洲和日本等国家都在一些大装置上同时实现了可控的核聚变。

　　中国的聚变之路

　　中国的聚变装置之路是从上世纪90年代初开始的。做这个装置,第一就是要解决上亿度和零下269度的矛盾。这就要求很多技术必须得用在一起。首先,真正的上亿度的高温要用磁场把它悬浮起来,就是超导,上面全部是线圈。悬浮在中间以后,等离子那里有个火球——温度越高它越要到处跑。比如太阳,因为温度高,所以太阳黑子来了。跑的过程中一定要想办法控制住,让它一定悬浮在中间,不能够上下跑。在不乱跑的情况下,才不会把材料烧坏。

　　除此之外,能量的损失靠传导、对流和辐射。最小辐射损失就是全部用真空,用五层真空实现了一亿度和零下269度的结合。

　　在此之前全世界没有人做过,因此所有的东西都需要中国自己着手。中科院等离子体所万元熙院士带领整个团队做了整整10年,突破了很多难点,终于在2006年得到了等离子体,大概几百万度,尽管它只有几秒钟时间。

　　很显然,中科院等离子体所想要实现的目标不只是几百万度几秒钟,他们想做得更长。难度在哪里?材料!做聚变,几乎都要用到当今地球上所有材料、技术的极致。比如说,其中要采取的材料是一种最硬的合金——钨合金。在这个空间里,我们要加上上亿的温度让它悬起来,同时还要防止冲击波。只要有冲击波的强放射,就要赶快把它拿走、抽走。这里用的大抽速是零下269度的低温棒。

　　未来中国的聚变到底怎么做?聚变到底什么时候才能实现?

　　中科院等离子体所现在正在做实验装置、参加ITER,希望10年以后能建造中国自己的工程堆,这样才能够验证发电。有了这样的基础,再过50年到60年就能实现商用化。

　　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。

　　未来,可控核聚变终将成为现实,到那时,我们将拥有取之不尽、用之不竭的清洁能源,再也不用担心温室气体导致大气变暖问题,也不用担心目前核电的放射性问题。在可控聚变能的基础上,人类将彻底改变自己的生产和生活方式,我们的生活将被廉价、高效、清洁的能源驱动,快速前进。同时,聚变能将给人类太空探索提供强大的驱动引擎,让星际遨游再也不受动力的困扰,到那个时候,走出地球、移民太空将不再是科幻小说的情节。

　　从火把到蒸汽机,再到电气,人类历史上每一次能源革命,都导致了人类文明的革命。未来,谁能率先掌握可控核聚变技术,谁就将引领人类文明的革命。

　　几十年如一日,我国可控核聚变研究从未落后、从未停滞、不断超越,已经走到了国际可控核聚变研究的最前沿。

　　来源:中科院SELF讲坛

　　作者:中国工程院院士 李建刚