| 什么是人造太陽？
所謂“人造太陽”，即先進超導托卡馬克實驗裝置，也即國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)建設工程，是當今世界迄今為止最大的熱核聚變實驗項目，旨在在地球上模擬太陽的核聚變，利用熱核聚變為人類提供清潔能源。核聚變以氘氚為燃料，具有安全、潔凈、資源無限3大優點，是最終解決全人類能源問題的戰略新能源。
人造太陽是可控核聚變的俗稱，因為太陽的原理就是核聚變反應。(核聚變反應主要借助氫同位素。人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。科學家們希望發明一種裝置，可以有效控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續穩定的輸出，并把這類裝置比喻為“人造太陽”。全名為“全超導托卡馬克試驗裝置”。(托卡馬克是“磁線圈圓環室”的俄文縮寫，又稱環流器。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離子的等離子體）。
| 人造太陽的起源
100年前，愛因斯坦預見了在原子核中蘊藏著巨大的能量。依據他提出的質能方程E=mc2，兩個輕核在一定條件下聚合成一個較重核，但反應后質量有一定虧損，將釋放出巨大的能量。1939年，美國物理學家貝特證實，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞，結合成一個氦原子核，并釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發現揭示了太陽“燃燒”的奧秘。 1952年，當第一顆氫彈爆炸之后，人類制造核聚變反應成為現實，但那只是不可控制的瞬間爆炸。從那個時候開始，科學家們一直在尋找途徑，把氫彈爆炸在某個試驗裝置上面加以控制地讓它發生，然后源源不斷地取出它的核聚變能。
在上世紀70年代，人們對約束磁場研究有了重大進展，通過改變約束磁場的分布和位形，解決了等離子體粒子的側向漂移問題。世界范圍內掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國、歐洲、日本、蘇聯建造了四個大型托卡馬克，它們后來在磁約束聚變研究中做出了決定性的貢獻。
| 人造太陽的意義
太陽是地球最大的能量來源，它的表面溫度約6000攝氏度，內核溫度約1500萬攝氏度，像一個熊熊燃燒的大火球，每秒鐘可散發出相當于1億億噸煤炭完全燃燒產生的能量。太陽能產生這么大的能量，是因其內部持續不斷的核聚變反應。而支撐這種聚變反應的主要原材料氘，在地球上的儲量極其豐富。 氫原子最容易實現的聚變反應是其同位素氘與氚的聚變。而劇變后的產物“氦”是非常清潔的，沒有碳排放，沒有放射性廢料，也不會出現燃料棒熔斷的災難，比風能和太陽能穩定，被認為是一種理想的“終極能源”。地球上每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚變產生的能量相當于300升汽油。據測算，海洋中蘊藏著約40萬億噸氘，理論上用于聚變反應釋放的能量足夠人類使用上百億年。
一旦“人造太陽”成功運行，帶給世界的變化將是革命性的。各國之間再也不用為中東的石油而發生戰爭。沒了石油、煤礦開采帶來的污染，二氧化碳的溫室效應、南極冰面的萎縮、海岸線的增高等等一系列現在人類頭疼的問題都會消失。它將給人類帶來無限清潔的能源，就像太陽給我們的一樣。
| “人造太陽”運行原理
“人造太陽”通過將兩個質量較輕的原子融合為一個質量較重的原子產生大量能量。但原子之間天然存在斥力，想將兩個原子融為一體需要施加極高的溫度和巨大的壓力，實驗中核燃料的最高溫度達到了1.3億℃，壓力高達100個大氣壓，地球上還沒有任何一種物質可以承受如此惡劣的條件。 科學家們通過用磁場間接控制的方式解決了這一問題，為了誘發可控核聚變，“人造太陽”內部安裝了一個巨型超導磁鐵，通電后可以產生強大的磁場，類似磁懸浮技術，讓人造太陽可以不接觸任何設備釋放能量。在核燃料進入裝置內部后，科學家會對核燃料通電加熱，在它們的內部產生電流，隨后超導磁鐵就可以利用磁場與核燃料的電磁相互作用將燃料限制在裝置中心，不讓它與裝置本身接觸，因此高溫并不會影響到該裝置的運行，克服了裝置的不穩定性。
在實驗中，聚變反應的優點被不斷發現——它產生的能量是核裂變的7倍，反應產物是無放射性污染的氦。更完美的是，未來的聚變電站會始終處于次臨界安全運行狀態，一旦出現意外，反應會自動停止，不會發生像切爾諾貝利和福島那樣的核泄漏事故。
| 我國的“人造太陽”
中科院合肥研究院EAST全超導托卡馬克裝置成功造出了一個壽命1000秒的“人造太陽”，用國產的托卡馬克聚變實驗裝置實現了時長達1000秒的聚變放電，刷新了此前西方保持的400秒世界紀錄，最高溫度高達1.6億攝氏度，標志著中國在可控核聚變研究領域內實現了一項巨大突破。EAST被稱之為東方超環，是目前世界上唯一投入運行并擁有類似于即將建設的國際熱核聚變實驗堆(ITER)而采用全超導磁體的托卡馬克裝置。 1994年，我國第一個圓截面超導托卡馬克核聚變實驗裝置“合肥超環”（HT-7）研制成功，這次創造新的世界紀錄的主角EAST則是在“合肥超環”基礎上，由我國科學家自主研發的世界上第一個全超導磁體、非圓截面托卡馬克實驗裝置，主體部分高11米、直徑8米、重400多噸。由真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成，四周布滿了大大小小的輔助加熱、診斷、抽氣和冷卻裝置，零件數量相當于5架波音777飛機的零件總和。而且擁有“超燃”內核：超高溫、超低溫、超高真空、超強磁場、超大電流等極端環境“熔于一爐”。
為了實現1億攝氏度以上的高溫，科學家們采用了微波、中性束等多種加熱手段。家用微波爐的功率是500瓦左右，而EAST總功率有34兆瓦，相當于約6.8萬臺家用微波爐一起加熱。科學家們用磁場做成“籠子”，把那團上億度的火球懸浮起來，使所有電離了的等離子體只能沿著磁力線運動，不讓它與周邊的任何容器材料接觸，從而保護裝置材料不被燒毀。EAST由16個縱場線圈、14個極向場線圈構成，產生的磁場強度是地球磁場強度的近7萬倍。
為了達到強磁場，“人造太陽”還需要超過12000安培的超大電流，強度是普通家用空調的數千倍，而承載大電流的線圈工作在零下269攝氏度的超低溫度，就在距離1億攝氏度高溫約1米遠的地方，上演了現實版的“冰火兩重天”。“這就需要實現地表大氣壓約一千億分之一強度的'超高真空’來'隔熱’。”科研人員介紹說。
| “人造太陽”的前景
那么可控核聚變發電技術什么時候才能成熟呢？其實要想讓可控核聚變發電具備商業運用價值還需要進一步延長聚變時長，至少要提升到3000秒以上才能把聚變發電的成本降低到可以商業化的范圍，中國科學團隊已經開始研究這一方面的技術，爭取通過改進現有的托卡馬克裝置將聚變時長提升到3000秒，同時中國已經開始了第1代可控核聚變發電站的工程設計，預計在2035年開工建造人類史上的第1座可控核聚變發電站，2050年前建成并投產發電。 一旦可控核聚變發電技術獲得突破，人類就將獲得幾乎無限的能量來源，不僅再也不需要擔心能源緊缺和環保問題，甚至還可以用這一技術建造星際飛船，開啟人類的大航天時代，我國現在是這一領域內實力領先的國家，希望我國科學家未來能做出更多成就。
（圖片源自網絡）
