科幻電影《流浪地球2》中，人類計(jì)劃給地球安裝上萬(wàn)座巨大的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，推動(dòng)地球開(kāi)啟“流浪之旅”，這些發(fā)動(dòng)機(jī)依靠重核聚變產(chǎn)生的巨大能量。
從科幻回歸科學(xué)，行星發(fā)動(dòng)機(jī)造得出來(lái)嗎？
根據(jù)新華社對(duì)中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所副研究員王騰的采訪介紹，核聚變反應(yīng)是將兩個(gè)原子核重新結(jié)合，生成一個(gè)較重的原子核的過(guò)程，其間能夠產(chǎn)生巨大的能量，“利用這一能量推動(dòng)地球，原理上是說(shuō)得通的。”
然而實(shí)現(xiàn)重核聚變絕非易事。“我們當(dāng)前廣泛研究的可控核聚變均采用輕核聚變。”王騰說(shuō)，相較重核聚變而言更容易實(shí)現(xiàn)。
王騰介紹，可控核聚變是目前世界最前沿的重大科學(xué)問(wèn)題之一，經(jīng)過(guò)全人類70余年的共同努力，核聚變研究已從實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)入實(shí)驗(yàn)堆和工程堆“章節(jié)”。“讓聚變能推動(dòng)星球旅行可能為時(shí)尚早，但點(diǎn)亮一盞燈大有希望。”
2022年10月19日，中國(guó)的可控核聚變裝置創(chuàng)造了運(yùn)行新紀(jì)錄！中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”裝置（HL-2M）等離子體電流突破100萬(wàn)安培！為點(diǎn)亮一盞希望之燈增添光熱。現(xiàn)在，就讓我們來(lái)了解一下“人造太陽(yáng)”吧！
什么是“人造太陽(yáng)”？
新一代“人造太陽(yáng)”不是建在天上的另一個(gè)太陽(yáng)，而是科學(xué)家們?cè)诘厍蛏辖ㄔ斓囊蛔b置。它如同太陽(yáng)一樣利用核聚變反應(yīng)來(lái)源源不斷地釋放能量，因而被形象地稱作“人造太陽(yáng)”，其使命就是為人類提供清潔、穩(wěn)定的核聚變能。
原料從哪兒來(lái)？
微觀世界有一位極其重要的成員——原子。原子由原子核和核外電子構(gòu)成，核聚變中的“核”指的就是“原子核”。“聚變”是指一種聚合反應(yīng)。核聚變是兩個(gè)較輕的原子核，例如氘和氚，發(fā)生聚合反應(yīng)而生成一個(gè)較重的原子核，在此過(guò)程中會(huì)釋放出巨大的能量，即“核聚變能”。
那么，在核聚變反應(yīng)過(guò)程中，為什么會(huì)釋放出巨大的能量呢？提到這個(gè)問(wèn)題，我們就得請(qǐng)出偉大的科學(xué)天才——愛(ài)因斯坦。
1905年注定是科學(xué)史上不平凡的一年，愛(ài)因斯坦面對(duì)蜂擁而來(lái)的學(xué)者、記者，在黑板上寫下質(zhì)能方程：E=mc2。
從此，數(shù)百年來(lái)經(jīng)典物理學(xué)中物質(zhì)與能量的屏障被打破了。質(zhì)能方程中，E指能量，m指物質(zhì)質(zhì)量，它們之間存在簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，比值是光速c的平方。光速約等于3×108米/秒，光速的平方就約等于9×1016米/秒，這是一個(gè)極為龐大的數(shù)字，所以即便是很小的質(zhì)量虧損，也可以釋放出巨大的能量。核聚變正是利用這一點(diǎn)發(fā)揮出了核力強(qiáng)大的潛能。
由于核聚變反應(yīng)過(guò)程中，原子核總質(zhì)量減小，所以自然而然會(huì)釋放出大量的核聚變能，這些能量如果在瞬間全部釋放，將會(huì)具有極大的破壞性，氫彈就是利用這一原理研制而成的。而在“人造太陽(yáng)”裝置中，需要將這些能量變得可控，從而緩慢地釋放出核聚變能用以發(fā)電。
聚變界的“明日之星”
2020年12月4日，中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”（HL-2M）裝置建成并實(shí)現(xiàn)首次放電，該裝置是中國(guó)目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的托卡馬克裝置。
裝置建成后備受關(guān)注，成果入選由中國(guó)科學(xué)院院士和中國(guó)工程院院士投票評(píng)選的2020年“中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”。它的建成是中國(guó)磁約束聚變發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，是中國(guó)開(kāi)展堆芯級(jí)聚變等離子體物理研究重要的試驗(yàn)平臺(tái)，將為中國(guó)深度參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃及未來(lái)自主設(shè)計(jì)、建造聚變堆提供重要技術(shù)支撐。
中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”（HL-2M）裝置總高度8.39米，直徑8米，主機(jī)總重470噸，由核工業(yè)西南物理研究院聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家單位研制，在裝置物理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特殊材料研制、材料連接與關(guān)鍵部件研發(fā)、總裝集成等方面取得多項(xiàng)突破，實(shí)現(xiàn)了可拆卸線圈結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了控制運(yùn)行水平，提升了裝置物理實(shí)驗(yàn)研究能力。部分技術(shù)突破了國(guó)外封鎖，解決了“卡脖子”問(wèn)題。
該裝置等離子體大半徑達(dá)到1.78米，小半徑0.65米，它的等離子體體積達(dá)到國(guó)內(nèi)現(xiàn)有裝置2倍以上，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體離子溫度可達(dá)到1.5億攝氏度，相當(dāng)于太陽(yáng)芯部溫度的近10倍，能實(shí)現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)行。
中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”（HL-2M）裝置成為中國(guó)聚變界的“明日之星”，在“逐日”征程上，期待它持續(xù)不斷地刷新中國(guó)可控核聚變研究裝置一個(gè)又一個(gè)紀(jì)錄，創(chuàng)造更多令世人矚目的成果。
知識(shí)拓展
什么是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃
國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃是目前世界上僅次于國(guó)際空間站的又一個(gè)國(guó)際大科學(xué)工程計(jì)劃，由歐盟、中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、印度、日本和韓國(guó)聯(lián)合建設(shè)，共耗資200億歐元（約合人民幣1640億元）。
中國(guó)于2006年正式簽約加入該計(jì)劃，并參與多個(gè)部件（包括核心部件）的制造以及其他方面的工作。
國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃承載著人類和平利用核聚變能的美好愿望，由它帶來(lái)的能量以及其他可再生能源將是“地球的奇跡”。
（本文綜合整理自《知識(shí)就是力量》作者王大江、吳庭、王浩倫、于祺，有部分刪改）
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