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這是網(wǎng)絡(luò)上?？吹骄W(wǎng)友們疑惑不解的問題，今天我們就一起來解開這個(gè)謎底。
首先要說明的是，所謂“人造太陽”不是有些人拍腦袋想象的，造出一個(gè)會(huì)發(fā)亮的小太陽，而是利用核聚變方式獲得的能源，可用于發(fā)電或者作為各種動(dòng)力使用。我這樣說，大家就應(yīng)該明白所謂“人造小太陽”對(duì)人類有什么用了吧？
說穿了，“人造小太陽”就是一個(gè)核聚變反應(yīng)堆。反應(yīng)堆是指能讓核反應(yīng)在其內(nèi)部進(jìn)行的裝置，是指包括建筑在內(nèi)的一整套設(shè)備系統(tǒng) 。為什么核聚變反應(yīng)堆被稱為“人造小太陽”呢？這是因?yàn)檫@種核聚變的原理模仿的就是太陽。
所有的恒星，包括太陽，在其核心區(qū)域都源源不斷地發(fā)生著氫核聚變，產(chǎn)生出巨大的能量，讓恒星成為一個(gè)巨大的發(fā)光發(fā)熱的等離氣球，并以電磁輻射方式向?qū)⒛芰吭丛床粩嗟尼尫诺教?。地球能夠分到太陽輻射能量的22億分之1，才養(yǎng)育了億萬生命，并讓人感受到風(fēng)和日麗。
人類模仿太陽核聚變方式，在地球上建造核聚變的反應(yīng)裝置，并不斷的進(jìn)行試驗(yàn)，這種項(xiàng)目或工程，俗稱就叫“人造小太陽” 。
合肥的“人造小太陽”就是這樣一個(gè)研究基地。這個(gè)基地成立于1978年9月，前身叫“合肥受控?zé)岷朔磻?yīng)研究實(shí)驗(yàn)站”，后來改為“中國科學(xué)院等離子體物理研究所”，簡稱“等離子所”，英文縮寫為ASIPP ?，F(xiàn)在，這個(gè)研究所進(jìn)行的受控核聚變研究已經(jīng)走在了世界前列。
人造受控核聚變與太陽核聚變的區(qū)別核聚變是人類目前掌握的最大質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)，但目前人類掌握能夠成熟掌握的核聚變方式還是不可控的，這就是氫彈爆炸。這種核聚變方式“轟”的一下就沒有了，是能量瞬間的釋放，除了用于威懾和戰(zhàn)爭，幾乎無法用于造福人類社會(huì) 。
受控核聚變就是讓這種聚核變能量有一個(gè)緩慢釋放過程，這樣就可以作為發(fā)電的能源，或者作為優(yōu)質(zhì)能源，用于地面交通、航空、航天等方面。說起來，太陽核聚變也是受控的，才能夠緩慢燃燒100億年。這是因?yàn)樘柡司圩兪艿街亓s束，就是太陽巨大質(zhì)量的引力向心壓力，抵御著核聚變的巨大輻射壓，兩種壓力形成一個(gè)平衡，就讓太陽平穩(wěn)的燃燒了46億年，還可以再燒54~64億年。
這個(gè)重力約束形成了3000億個(gè)大氣壓，讓核心產(chǎn)生了1500萬度的高溫，太陽的核聚變就是在這種條件下持續(xù)不斷進(jìn)行的。地球上人類是無法制造出那么高壓力的，因此要實(shí)現(xiàn)受控核聚變，只能在溫度提升上想辦法。通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究，在地球條件下實(shí)現(xiàn)受控核聚變，至少需要上億℃的溫度。
氫核聚變，就是氫的同位素氕、氘、氚的原子核聚合成氦的聚合過程。要實(shí)現(xiàn)這種聚變，就必須具有剝離氫原子外圍電子的條件，讓隱藏在原子中心的核裸露出來，核與核之間發(fā)生碰撞和融合，氫核就會(huì)聚變成氦核，同時(shí)損失約0.7%的質(zhì)量，這些質(zhì)量就轉(zhuǎn)化為能量釋放出來。
一般來說，只要10萬度高溫，就可以剝離原子外圍的電子。但剝離了原子的外圍電子，并不等于就會(huì)發(fā)生核聚變，這是因?yàn)樵雍硕紟в姓?，同性相斥，原子核之間就存在所謂的庫侖力，也就是核與核之間的斥力，讓它們不接觸融合。
要讓它們?nèi)诤?，在無法加大壓力的情況下就需要再提升溫度。因?yàn)楦鶕?jù)熱力學(xué)定律，溫度越高，粒子振動(dòng)的程度就越劇烈，達(dá)到1億℃，這些粒子的布朗運(yùn)動(dòng)就會(huì)達(dá)到一個(gè)瘋狂水平，這樣它們就不可避免在劇烈的碰撞中，無可奈何地融合起來。
受控核聚變的難點(diǎn)受控核聚變需要攻克的主要難點(diǎn)有兩點(diǎn)：1、如何約束受控核聚變所需的極高溫度，換句話說就是用什么容器能夠盛裝這么高的等離子體，讓它們不要到處亂跑，惹是生非；2、如何能夠讓輸出的能量大于輸入的能量，而且比例越高越好。
先說說第一個(gè)難點(diǎn)
地球上所有的物質(zhì)，能耐受溫度最高的合金是鉿，熔點(diǎn)可達(dá)4400℃；單金屬是鎢，熔點(diǎn)為3410℃；非金屬是碳，熔點(diǎn)為3850℃ 。何謂熔點(diǎn)？就是溫度到了這么高，就融化為液態(tài)了，再高就氣化了。
地球物質(zhì)的耐受溫度還不到1萬度，而核聚變溫度需要1萬個(gè)1萬度呢，差遠(yuǎn)了。那么用什么容器才能夠“盛裝”核聚變1億度高溫的等離子體呢？物質(zhì)的不行，只能尋找非物質(zhì)的。根據(jù)等離子體的帶電性質(zhì)，科學(xué)家們找到了磁約束辦法。
所謂磁約束，就是通過建立一個(gè)真空磁阱，讓高溫等離子體約束在這個(gè)磁力陷阱中燃燒。磁力陷阱可以讓高溫等離子體與設(shè)備隔絕，不發(fā)生任何接觸，這樣，等離子體就無法融化或氣化設(shè)備了。
這種設(shè)備的通用名字叫托卡馬克裝置，最早由前蘇聯(lián)發(fā)明，是世界上目前最通用的受控和核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。世界上還有許多國家在進(jìn)行慣性約束實(shí)驗(yàn)，這也是一種實(shí)現(xiàn)受控核聚變的方法，有不同的用途，今天就不展開來說。
第二個(gè)難點(diǎn)
有了盛裝核聚變等離子體的容器，就可以開始實(shí)驗(yàn)了。首先要制造出能夠盛裝核聚變等離子體的磁力陷阱，然后要設(shè)法讓束縛在磁阱中的核燃料溫度達(dá)到1億度，這些都需要巨大能量。這些需要的能量我們把它叫做輸入能量，而核聚變能夠產(chǎn)生輸送到裝置外面的能量，我們把它叫做輸出能量。
常識(shí)告訴我們，只有在核聚變輸出的能量大于輸入的能量時(shí)，這個(gè)核聚變才有造福人類的意義，否則就是得不償失。
科學(xué)家們把這種輸入與輸出比稱為能量增殖因子，簡稱Q值。Q值越大，說明輸出的能量越多，效益才越好。經(jīng)過測算，反應(yīng)堆裝置的巨大建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)營費(fèi)用，加上輸入的能量，一般Q值要大于10，也就是輸出能量是輸入能量的10倍以上，才能夠?qū)崿F(xiàn)效益。
說起來容易，做起來卻很難。前蘇聯(lián)在1954年建造出第一個(gè)托卡馬克裝置后，足足用了16年時(shí)間，做了無數(shù)次實(shí)驗(yàn)，都沒能得到一點(diǎn)能量。
一直到1970年，蘇聯(lián)的科學(xué)家們才從改進(jìn)了多次的托卡馬克裝置上，第一次獲得了能量輸出，而且這個(gè)輸出極小極小，Q值只有10億分之1 。雖然只是得到這么一點(diǎn)需要極其精密儀器才能夠檢測出來的能量，但對(duì)于全球科學(xué)家來說，這已經(jīng)是一個(gè)重大突破，至少說明了托卡馬克裝置是能夠制造輸出能量的，這個(gè)結(jié)果讓全世界科學(xué)家看到了受控核聚變的希望和前景。
世界受控核聚變發(fā)展趨勢1970年，前蘇聯(lián)科學(xué)家在托卡馬克裝置里制造出了能量，給全世界的受控核聚變研究注射了一針強(qiáng)心劑，各國都從瞌睡中醒來，一窩蜂紛紛建設(shè)起了自己大型的托卡馬克裝置。這些裝置主要有歐洲的聯(lián)合環(huán)-JET，蘇聯(lián)的T20（后縮水為T15，但加了超導(dǎo)），日本的JT-60和美國的TFTR等等。
隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，Q值的記錄不斷被刷新。1991年歐洲聯(lián)合環(huán)受控核聚變反應(yīng)，Q值達(dá)到了0.12；1993年，美國的TFTR實(shí)驗(yàn)Q值達(dá)到0.28；1997年9月歐洲聯(lián)合環(huán)Q值達(dá)到了0.6，后又提升到0.65，三個(gè)月后，日本的JT-60實(shí)驗(yàn)，Q值實(shí)現(xiàn)了1，隨后又實(shí)現(xiàn)了1.25 。
Q值突破1，說明已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了輸出大于輸入，這又是一個(gè)重大進(jìn)步。
世界許多國家正在聯(lián)合建造一個(gè)最大受控核聚變裝置，這個(gè)裝置雖然主要還是采取托卡馬克裝置的原理，但不再是通常意義上的托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置了，而是一個(gè)真正意義上的國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，簡稱ITER 。這個(gè)國際合作項(xiàng)目于2006年啟動(dòng)，有包括中國在內(nèi)，美國、俄羅斯、英國、瑞士、印度、日本、韓國、歐盟等27個(gè)國家加盟。
ITER由100多萬個(gè)部件組成，其中強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體就有4層樓高，每層重達(dá)360噸 ?，F(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)現(xiàn)場有2300人在忙碌，預(yù)計(jì)在2021年完成設(shè)備安裝，2025年開始進(jìn)行等離子體實(shí)驗(yàn)，2035年進(jìn)行氚聚變實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是產(chǎn)生500兆瓦的熱能或者200兆瓦的持續(xù)電能，項(xiàng)目總投資200億歐元。
該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的Q值目標(biāo)要求＞10，也就是輸出能量達(dá)到輸入能量的10倍以上。
中國受控核聚變的進(jìn)展中國在托卡馬克受控核聚變開發(fā)上，起步較晚，第一套托卡馬克裝置在1974年才建成，但通過這些年努力，實(shí)現(xiàn)了彎道超車，走在了世界前列。
1974年以后，中國先后建成的常規(guī)磁體托卡馬克裝置有HT-6B、HT-6M，后來又建設(shè)了圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置“合肥超環(huán)”（HT-7），還建成了世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置“東方超環(huán)”（EAST），在核聚變物理實(shí)驗(yàn)中取得了許多國際領(lǐng)先的成果。
2017年7月3日，位于合肥的等離子所傳來喜訊，科技人員們在EAST中實(shí)現(xiàn)了1.2億度穩(wěn)定長脈沖高約束等離子體運(yùn)行101.2秒，后來還實(shí)現(xiàn)了1.6億度20秒。這是迄今世界上時(shí)間最長，也是是世界上首次實(shí)現(xiàn)百秒級(jí)穩(wěn)定高約束的托卡馬克裝置。
近幾年，中國還在成都建造了中國環(huán)流器二號(hào)M（HL-2M ），這是中國自主研發(fā)的一個(gè)新的熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。相比現(xiàn)有的托卡馬克裝置，HL-2M裝置采用了更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，相比EAST，這套裝置體積更小，但等離子體腔的體積是原有裝置的2倍，反應(yīng)溫度可達(dá)1.5億度。這個(gè)裝置于2020年12月4日建成，并實(shí)現(xiàn)了首次放電。
中國科技精英們沒有止步于這些成就，也沒有滿足于參與世界最大的熱核反應(yīng)堆項(xiàng)目，而是在打造一個(gè)更加雄心勃勃的項(xiàng)目：中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，簡稱CFETR 。這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施計(jì)劃是，2021年開始建設(shè)，2035年建成，并開始大規(guī)模實(shí)驗(yàn)，2050年完成實(shí)驗(yàn) 。
這個(gè)項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是，首期實(shí)現(xiàn)200兆瓦的輸出功率，然后通過改進(jìn)在同一套設(shè)備上逐步達(dá)到1000兆瓦的輸出功率，實(shí)現(xiàn)Q值大于25 。這是一個(gè)示范項(xiàng)目和樣板工程，對(duì)未來中國參與國際受控核聚變研究以及將受控核聚變推向社會(huì)化應(yīng)用，具有重要的引領(lǐng)和借鑒意義。
人類為啥花這么大力氣開發(fā)受控核聚變？原因主要基于兩點(diǎn)：第一，人類目前正面臨能源危機(jī)，必須尋求新的更好更有潛力的能源，才能讓人類文明不斷前行，而核聚變?nèi)剂系厍騼?chǔ)量很多，可以說取之不盡用之不竭；第二，核聚變能源生產(chǎn)過程完全沒有污染，有利于修復(fù)和保護(hù)已經(jīng)被人類損害的自然環(huán)境。
先說說核聚變原料的儲(chǔ)量
受控核聚變采用的主要原料就是氫的同位素氘和氚，這種原料在海水里存量很大，每升海水可以提取出0.03毫克的氘，這些氘通過核聚變可以產(chǎn)生相當(dāng)300升汽油的能量。全球的海水總量為135億億立方米，每個(gè)立方米相當(dāng)汽油300噸，海水中儲(chǔ)存的氘就相當(dāng)于汽油40500億億噸。
而且海水還可以提煉出氚，月球上還有大量的氦-3，這些都是核聚變的優(yōu)質(zhì)燃料。月球上的氦-3就可以供應(yīng)人類使用1萬年。
人類現(xiàn)在每年使用燃料相當(dāng)50億噸石油，那么按現(xiàn)在需求，海水中儲(chǔ)存的核聚變?nèi)剂峡梢宰屓祟愂褂?10億年。當(dāng)然未來的人類能源需求量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)在，這個(gè)我們今天不討論，也不展開說。這里主要要說明的是，如果實(shí)現(xiàn)了受控核聚變，人類至少相當(dāng)一段時(shí)期沒有了能源危機(jī)的困擾。
核聚變還有一個(gè)特點(diǎn)就是不會(huì)產(chǎn)生任何污染。
這一點(diǎn)，比人類已經(jīng)熟練應(yīng)用的核裂變能源就強(qiáng)多了。核裂變?nèi)剂蟽?chǔ)量小，加工難度大，且具有強(qiáng)烈放射性等許多嚴(yán)重污染，世界上已經(jīng)發(fā)生過多次污染事故，給人類帶來災(zāi)難。前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站爆炸導(dǎo)致核泄漏，受害者達(dá)到800多萬人，直接死亡人數(shù)近10萬人，還有27萬人患上癌癥。
而氫核聚變不會(huì)產(chǎn)生任何污染，是非常清潔高效的能源。而且相對(duì)核裂變，還具有不可比擬的安全性。核裂變是重原子核不斷分裂的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程，需要嚴(yán)格控制其反應(yīng)的速率，稍有差池就會(huì)失控，導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故。
切爾諾貝利核電站爆炸就是由于操作失誤導(dǎo)致核反應(yīng)失控發(fā)生的。
而核聚變的持續(xù)條件要求很高，對(duì)條件變化很敏感，只要稍有變化，反應(yīng)就會(huì)終止。這給實(shí)現(xiàn)核聚變自持反應(yīng)增加了難度，從另一個(gè)方面也增加了安全性。因此，核聚變過程中，如果設(shè)備稍有故障，反應(yīng)就會(huì)終止，停電斷電也會(huì)停止核聚變反應(yīng) 。這樣，核聚變很難導(dǎo)致安全危害事故。
受控核聚變既然有這么多這么巨大的好處，各國當(dāng)然趨之若鶩了，就是再難，付出再大的代價(jià)，也要把它開發(fā)出來。這就是人類一直堅(jiān)持不懈地開發(fā)了幾十年，雖然很艱難，但從不放棄的原因。從目前的進(jìn)展趨勢來看，受控核聚變很可能還要奮斗幾十年，才有可能推上民用，讓我們滿懷信心地期待。
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