“人造太陽(yáng)”——讓世界看見(jiàn)東方紅

大家對(duì)“核聚變”這個(gè)詞或許比較陌生。簡(jiǎn)單解釋一下，一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，質(zhì)量較小的原子在外界高溫高壓等特定條件下，會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，生成新的質(zhì)量更重的原子，同時(shí)釋放出巨大的能量，科學(xué)家們將這一過(guò)程稱(chēng)為“核聚變”。目前，核聚變已成熟應(yīng)用于氫彈的研究中，此外還有一項(xiàng)重要應(yīng)用就是我們本節(jié)要了解的“人造太陽(yáng)”。

什么是“人造太陽(yáng)”

萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。太陽(yáng)已經(jīng)形成了45億年，它源源不斷地以光和熱的形式向外輻射能量，這些能量傳輸?shù)降厍蛏?，維持著水循環(huán)、大氣循環(huán)、植物光合作用等自然現(xiàn)象。太陽(yáng)巨大的能量就來(lái)自核心區(qū)域持續(xù)的核聚變反應(yīng)。

然而，釋放大量能量的同時(shí)當(dāng)然少不了自身質(zhì)量的損耗。據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)每秒虧損的質(zhì)量高達(dá)430萬(wàn)噸！而一頭大象也不過(guò)才5噸。因此，科學(xué)家想到，如果可以研制一種能夠?qū)崿F(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)的裝置，使其像自然界中的太陽(yáng)一樣實(shí)現(xiàn)持續(xù)的聚變反應(yīng)，就可以源源不斷地產(chǎn)生核聚變能，從而獲得一顆永不落山的“小太陽(yáng)”，來(lái)克服人類(lèi)日益嚴(yán)峻的能源短缺問(wèn)題。這項(xiàng)研究也被形象地稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”工程。

為什么要造“人造太陽(yáng)”

目前地球上仍然以煤、石油、天然氣為主要能量來(lái)源，而它們不可再生，因此未來(lái)有枯竭的危險(xiǎn)，此外還存在一定的環(huán)境污染；而風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等新能源又受限于天氣或地理?xiàng)l件等因素，無(wú)法持續(xù)高效地提供能源。

相比之下，核聚變能作為新能源，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.效率高，可持續(xù)。以最常見(jiàn)的氘（dāo）氚（chuān）聚變?yōu)槔?克氘氚聚變?cè)袭a(chǎn)生的能量相當(dāng)于燃燒8000千克汽油。而原料的來(lái)源和儲(chǔ)量都非常豐富——海洋中大約6500個(gè)氫原子中有1個(gè)重氫（氘），僅僅需要1升海水，就可以通過(guò)核聚變獲得300升汽油的能量。

2.安全清潔無(wú)污染。核聚變產(chǎn)物是氦（氦氣為空氣的組成成分之一, 無(wú)色無(wú)味無(wú)毒），且無(wú)放射性核廢料，對(duì)人體不會(huì)造成危害。

海水蘊(yùn)藏豐富的核聚變?cè)?/p>

從“跟跑”到“領(lǐng)跑”——“人造太陽(yáng)”在中國(guó)點(diǎn)亮

1998年7月，中國(guó)“人造太陽(yáng)” EAST正式立項(xiàng)，并于2000年10月開(kāi)工建設(shè)。然而，在20世紀(jì)90年代，中國(guó)聚變工程技術(shù)和超導(dǎo)工業(yè)十分薄弱，沒(méi)有研制任何相關(guān)系統(tǒng)的經(jīng)歷。雖然核聚變的原理說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，但開(kāi)發(fā)核聚變能卻是對(duì)國(guó)家科學(xué)與技術(shù)實(shí)力極限的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@要求依靠人工控制極端且嚴(yán)苛的條件。

設(shè)計(jì)研發(fā)初期，“種太陽(yáng)”團(tuán)隊(duì)走訪(fǎng)了10余家大型制造企業(yè)，均因所需設(shè)備的設(shè)計(jì)精度高、制造難度大、國(guó)內(nèi)無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)等原因被告知無(wú)法加工。團(tuán)隊(duì)將參數(shù)細(xì)化成簡(jiǎn)明的工程圖紙，手把手指導(dǎo)廠家加工。歷時(shí)6年困境中摸索，團(tuán)隊(duì)成功制造出EAST所需的重要組成部分,其工藝和技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

此外，美國(guó)曾以核心技術(shù)為由禁售建設(shè)“人造太陽(yáng)”所需的高強(qiáng)度零件。越是封鎖，越要超越。面對(duì)這個(gè)必須解決的難題，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)從浩瀚的文獻(xiàn)資料中找尋突破口，經(jīng)過(guò)數(shù)百種材料比對(duì)和上千次實(shí)驗(yàn)，終于攻克了關(guān)鍵技術(shù)，打破了國(guó)外封鎖，制造出國(guó)內(nèi)無(wú)生產(chǎn)先例的大尺寸高強(qiáng)度核心零件，將生產(chǎn)成本降低近90%，極大節(jié)約了科研經(jīng)費(fèi)。

2021年5月28日，EAST成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，而就在半年后的12月30日，EAST成功實(shí)現(xiàn)1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，均在當(dāng)時(shí)創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這標(biāo)志著中國(guó)在國(guó)際可控核聚變研究領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)巨大突破?？蒲腥藛T稱(chēng)新紀(jì)錄進(jìn)一步證明核聚變能源的可行性，也為其邁向商用奠定物理和工程基礎(chǔ)。

“EAST裝置建設(shè)，瞄準(zhǔn)世界前沿，高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求地完成了國(guó)家大科學(xué)工程建設(shè)任務(wù)！”中科院等離子所所長(zhǎng)宋云濤自豪地說(shuō)道。

核聚變與核裂變

首先，從名字中的“聚”和“裂”我們不難看出，核聚變與核裂變是兩種相反的過(guò)程。前文說(shuō)到，一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成?？戳饲拔牡慕榻B，相信大家對(duì)核聚變已經(jīng)有了一定的了解，下面再來(lái)介紹核裂變。

核裂變是一個(gè)原子核分裂成幾個(gè)原子核的變化。只有一些質(zhì)量非常大的原子像鈾（yóu）、釷（tǔ）等才能發(fā)生核裂變。這些原子的原子核在相應(yīng)的外界條件下會(huì)分裂成兩個(gè)或更多個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出巨大的能量，這些能量又能使別的原子核接著發(fā)生核裂變，使過(guò)程持續(xù)進(jìn)行下去，這種過(guò)程我們稱(chēng)作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。原子核在發(fā)生核裂變時(shí)，釋放出巨大的能量稱(chēng)為原子核能，簡(jiǎn)稱(chēng)原子能。太陽(yáng)的產(chǎn)能方式以及氫彈都利用了核聚變的原理，而核裂變主要應(yīng)用于核電站和原子彈。目前相比于核聚變，核裂變是可控的，因而更安全。