“人造太陽”掀起綠色能源革命 溫度升高到1億度

　　位于安徽合肥的“人造太陽”裝置

　　位于安徽合肥的“人造太陽”裝置

近日，由中國科學院等離子體物理研究所自主研制的全超導托卡馬克實驗裝置(俗稱“人造太陽”)正在接受技術升級。它是目前世界上唯一能達到持續400秒、中心溫度大于2000萬攝氏度實驗環境的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。正在進行的升級計劃達到“人造太陽”中心溫度1億攝氏度、延續時長1000秒的科學目標，以解決上億攝氏度高溫等離子體連續運行的世界難題，為中國參與的國際合作項目——國際熱核聚變實驗堆的400秒長脈沖實驗奠定了基礎。

人造太陽是個啥？

國際熱核實驗反應堆(ITER)計劃也被稱為“人造太陽”計劃，由歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度等7方共同參與，其目的是借助氫同位素在高溫下發生核聚變來獲取豐富的能源。其原理類似太陽發光發熱，即在上億攝氏度的超高溫條件下，利用氘、氚的聚變反應釋放出核能。核聚變燃料氘和氚可以從海水中提取，核聚變反應不產生溫室氣體及核廢料。由于原料取之不盡，不會危害環境，這一計劃被寄希望解決未來的能源問題。

制造一個裝置，通過受控熱核聚變反應獲得無窮盡的新能源。這就相當于人類為自己制造一個或數個小太陽，源源不斷從核聚變中得到能量。

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。

ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的“超導托卡馬克”。作為聚變能實驗堆，ITER計劃把上億攝氏度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達837立方米的磁場中，產生50萬千瓦的聚變功率，持續時間達500秒。

20世紀50年代初，蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念。蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇按照這樣的思路，不斷進行研究和改進，于1954年建成了第一個磁約束裝置。他將這一形如面包圈的環形容器命名為托卡馬克(tokamak)。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離了的等離子體。

托卡馬克中等離子體的束縛是靠縱場(環向場)線圈，產生環向磁場，約束等離子體，極向場控制等離子體的位置和形狀，中心螺管也產生垂直場，形成環向高電壓，激發等離子體，同時加熱等離子體，也起到控制等離子體的作用。

為了維持強大的約束磁場，電流的強度非常大，時間長了，線圈就要發熱。為了解決這個問題，人們把最新的超導技術引入到托卡馬克裝置中，目前，法國、日本、俄羅斯和中國共有4個超導的托卡馬克裝置在運行，它們都只有縱向場線圈采用超導技術，屬于部分超導。其中法國的超導托卡馬克Tore-Supra體積較大，它是世界上第一個真正實現高參數準穩態運行的裝置，在放電時間長達120秒的條件下，等離子體溫度為2000萬攝氏度，中心粒子密度每立方米1.5×1019個。

東方超環再升級

幾十年來，人們一直在研究和改進磁場的形態和性質，以達到長時間的等離子體的穩定約束，還要解決等離子體的加熱方法和手段，以達到聚變所要求的溫度。

把氘、氚的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度，并至少持續1000秒，才能形成持續反應，讓核聚變為人類所用。東方超環(EAST)寄托著中國科學家的期望。

報道稱，東方超環的主機部分，高11米，直徑8米，重400噸，作為世界上第一個全超導非圓截面核聚變實驗裝置，集中了超高溫、超低溫、超大電流、超強磁場和超高真空5個極限。從設計到建設，整個項目的自研率在90%以上，取得了68項具有自主知識產權的技術和成果。目前，中國在ITER七方采購包進度中已成為第一位。

EAST國際顧問委員會不久前在合肥召開第五次會議稱，EAST是目前國際上唯一有演示未來ITER將會遇到關鍵物理和技術問題的裝置，毫無疑問這對于ITER及未來的聚變電站都具有重要借鑒意義。例如，EAST在國際上首次采用高溫超導電流引線，而中國這一技術成功應用于ITER，可為ITER節省人民幣1000萬元/年的制冷電耗，并可減少1.5億元人民幣的低溫系統建設投資。

正在接受升級的中國“人造太陽”，為新一輪的物理實驗作準備，與此同時，日前，超級計算機“π”系統在上海交通大學上線運行，將支持“人造太陽”的慣性約束核聚變項目等高端科研工程。

據了解，“π”系統峰值性能達到263萬億次，位列最新全球TOP500榜單第158名，將成為“IFSA慣性約束聚變科學與應用協同創新中心”的超算核心支持平臺。

上海交大激光等離子體教育部重點實驗室特別研究員陳民介紹說，人類對于可受控核聚變的研究離不開超級計算機技術。慣性約束聚變反應過程中的壓力相當于1萬億個標準大氣壓，氘和氚會被壓縮到僅有同質量液體體積的千分之一，反應時間最多只有100億分之一秒。現有實驗探測手段很難深入到聚變燃料內部進行測量，只能利用超級計算機模擬，研究其中的物理細節。更高性能的超級計算機的出現，將大大增加理論模擬的能力，加快研究進程，讓人們早日實現可受控的人造小太陽。

未來挑戰

利用可控聚變能是解決全球能源和環境問題的一個重要途徑，而實現聚變反應堆商業化運行需要3個階段：建造ITER裝置并據此進行科學和工程研究；設計、建造與運行聚變示范電站；建造商業化聚變反應堆。

ITER本身將不能被用來發電，發電重任將交給聚變示范電站。但迄今為止尚沒有一座反應堆能夠產生凈能量增益(即產出能量大于輸入能量)，科學家期望ITER能夠突破上述障礙。

《科學》雜志網站曾報道，歐盟負責聚變研發工作的機構——歐洲聚變發展協會(EFDA)發布了歐盟聚變示范電站(DEMO)設計與開發路線圖，計劃于2050年建成一座未來可供工業界使用的原型聚變電站。該路線圖認為，人類在利用聚變發電方面取得進展的關鍵在于ITER，因此需要傾力確保其成功，其中包括研究現有小型反應堆的各種運營方案。路線圖指出，最大的技術挑戰是如何從未來的聚變反應堆中排除核反應后的廢氣。

中國科學院等離子體物理研究所正積極開展中國下一代超導聚變堆(CFETR)的設計和相關預研，期望通過5-6年的努力，完成中國聚變工程實驗堆的設計和關鍵部件預研，具備建設世界第一個能夠長時間發電的聚變實驗工程堆的能力，在下一個5年計劃的中后期開始中國磁約束工程實驗堆的立項和建設。尹曉宇