季海

2021年5月28日，新華社發(fā)布了一條重磅新聞：中國(guó)的“人造太陽(yáng)”在1.2億攝氏度下，成功“燃燒”101秒。這標(biāo)志著我國(guó)核聚變研究又獲重大突破，也為人類獲得可控核聚變能源奠定了商用和工程基礎(chǔ)。

也許你想說(shuō)，以上這些字我都認(rèn)識(shí)，但合在一起卻不明白是什么意思。本期，就讓我們一起來(lái)了解“人造太陽(yáng)”吧！

核聚變的驚人能量

在了解“人造太陽(yáng)”之前，我們先來(lái)掌握有關(guān)核裂變和核聚變的基本知識(shí)。

當(dāng)一個(gè)重原子核分裂為兩個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較小的原子時(shí)（核裂變），當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核融合為一個(gè)重原子時(shí)（核聚變），反應(yīng)的過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生巨大的能量并釋放出來(lái)。

原子彈運(yùn)用的就是核裂變技術(shù)，小小一顆原子彈能夠毀滅一座城市;而氫彈運(yùn)用的是核聚變技術(shù)，它有多厲害，相信大家應(yīng)該能想象到吧？不過(guò)，原子彈和氫彈都是武器，想要在生活中安全地使用原子能，我們就得多動(dòng)腦筋了。

事實(shí)上，人類已經(jīng)基本掌握了核裂變技術(shù)。全世界有幾百座核電站，用的就是核裂變技術(shù)。但由于原料儲(chǔ)量有限，且有放射性隱患，所以核裂變技術(shù)有一定局限性。

但核聚變技術(shù)不一樣。一方面，核聚變的原料氘、氚，都是海水中氫元素的同位素，如果把海水中的氘全部進(jìn)行核聚變，釋放出的能量足以滿足人類上百億年的能源需求;另一方面，核聚變的反應(yīng)過(guò)程幾乎不產(chǎn)生輻射，非常安全。

據(jù)測(cè)算，1升海水中含有的氘，經(jīng)過(guò)核聚變反應(yīng)后可產(chǎn)生燃燒300升汽油的同等能量，因此，核聚變能源被認(rèn)為是理想的終極能源。如果人類掌握了可控核聚變技術(shù)，就等于擁有了“人造太陽(yáng)”——不僅日常生活中的電動(dòng)汽車、手機(jī)等物品用不著充電，就連宇宙飛船都可以擁有源源不斷的能源，盡情遨游太空。

既然核聚變技術(shù)這么好，為什么人類還沒(méi)有掌握呢？

這是因?yàn)?，核聚變只能在高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行。要想造出一個(gè)“人造太陽(yáng)”，必須先考慮這些問(wèn)題：如何將聚變材料加熱到上億攝氏度？用什么容器來(lái)裝這些高溫材料？如果把核聚變反應(yīng)堆看成一個(gè)高溫的火爐，如何點(diǎn)火才能保證爐子不被燒穿？

太難了！

科學(xué)島上的“人造太陽(yáng)“

安徽省合肥市西北方的董鋪水庫(kù)邊，有一座風(fēng)景優(yōu)美、綠樹(shù)掩映的小島，當(dāng)?shù)厝擞H切地稱之為“科學(xué)島”。在島上，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所的科學(xué)家們，研制出可控核聚變裝置，讓其產(chǎn)生的等離子體在1.2億攝氏度下，堅(jiān)持了101秒。

這是怎么做到的？

科學(xué)家的辦法是，在歐姆加熱的基礎(chǔ)上，用高科技大號(hào)微波爐輔助加熱原料。當(dāng)然，點(diǎn)火問(wèn)題不是最難解決的，最難解決的是如何保證爐子不被燒穿。

聰明的科學(xué)家找到了解決辦法。他們不用實(shí)體材料來(lái)當(dāng)爐子外壁，而是靠磁場(chǎng)約束，把原料給框住。具體來(lái)說(shuō)，就是把核聚變?nèi)剂献龀傻入x子體，然后用多方向的超強(qiáng)磁場(chǎng)約束等離子體，讓它們穩(wěn)定懸空并高速旋轉(zhuǎn)，不跟容器直接接觸。這個(gè)裝置的中文名為“全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置”（EAST），有“人造太陽(yáng)”之稱。也許你會(huì)覺(jué)得它不實(shí)用：才101秒，2分鐘都沒(méi)到，能解決啥問(wèn)題？

拜托！我們的祖先在百萬(wàn)年前才學(xué)會(huì)用火，三百多年前才開(kāi)始使用蒸汽機(jī)，一百多年前才觀察到原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如今已經(jīng)能在地球上制造出比太陽(yáng)核心溫度更高的等離子體，這速度已經(jīng)相當(dāng)快了！

認(rèn)識(shí)到核聚變是解決人類未來(lái)能源問(wèn)題的終極答案，美、德、日、韓等國(guó)都在進(jìn)行相關(guān)研究。2020年12月28日，韓國(guó)名為KSTAR的超導(dǎo)托卡馬克核聚變裝置產(chǎn)生的等離子體在超過(guò)1億攝氏度下維持了20秒鐘。顯然，與我國(guó)的紀(jì)錄相比較，他們?cè)跍囟壬陷^低，在時(shí)間上也差了5倍。

“人造太陽(yáng)”中國(guó)領(lǐng)先

現(xiàn)在你應(yīng)該明白，我們研究“人造太陽(yáng)”的原因了吧？目前，我們使用的化石能源和“人造太陽(yáng)”之間的差別，就跟山頂洞人鉆燧取火和用發(fā)電機(jī)發(fā)電的差別類似。從某種程度上說(shuō)，“人造太陽(yáng)”是真正的科技革命！

可控核聚變技術(shù)的研究一旦成功，人類將永久性地解決能源問(wèn)題，這是質(zhì)的飛躍。到那時(shí)，石油和煤炭將不再會(huì)被使用，由此帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題將被徹底解決。我們只需將幾桶海水放到“人造太陽(yáng)”里，就能滿足一個(gè)城市的用電需求。人類還可以制造以核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的宇宙飛船，進(jìn)行星際旅行。雖然這個(gè)過(guò)程還很漫長(zhǎng)，但我們相信，若是未來(lái)有一盞被核聚變之能點(diǎn)亮的燈，那一定先在中國(guó)出現(xiàn)！

我國(guó)的“人造太陽(yáng)”EAST經(jīng)過(guò)了10萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)才取得了如今的成就，這是無(wú)數(shù)科研工作者用艱辛付出和不懈堅(jiān)持換來(lái)的。讓我們向那些努力攻克關(guān)鍵核心技術(shù)、勇于攀登科技高峰的科技工作者致敬！