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中国新一代“人造太阳”建成，它能带来什么？

2020-12-10 17:14

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Decode 品玩

作者丨Decode

邮箱丨oudi@pingwest.com

2020 年 12 月 4 日，中国环流器二号 M 装置（HL-2M）在成都正式建成，并实现了首次放电。

HL-2M 是中国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置。它的建成，标志着中国掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造和运行技术，为中国核聚变堆的自主设计和建造，打下了坚实的基础。

由于核聚变原理和太阳发光发热原理相似，因此像 HL-2M 这样的托卡马克装置，被称之为“人造太阳”。

中国环流器二号 M ，图片来自人民日报

什么是“托卡马克”？

托卡马克（Tokamak）是俄语“磁线圈环形真空室”的缩写，最早由苏联科学家在 20 世纪 50 年代提出。本质上，托卡马克是一个由封闭磁场组成的“容器”，形状就像一个放倒的轮胎。它被发明出来，是为了容纳温度极高的核聚变反应。

要实现核聚变，得有高温高压的环境。太阳中心温度“只”有 1500 万度，但由于引力作用，压强超过 2400 亿个标准大气压，聚变反应可以自然而然地发生。

但对地球来说，事情就没有这么简单了。核武器氢弹的原理就是核聚变，但这种聚变反应难以控制。真正在现实中应用，需要可控的聚变反应。在地球上，难以创造高压环境，因此只能通过提高温度到 1 亿度左右，来实现可控聚变反应。

这就引发了一个问题，什么样的容器才能耐受如此高的温度？20 世纪 50 年代，前苏联科学家提出了“磁约束”的概念，并且基于这个概念打造了环磁机（即托卡马克）。

托卡马克中央是一个环形的真空室，外面围绕着线圈。科学家们在真空室内激发并维持一个强大的环形等离子体电流。这个电流与外面线圈电流一起，产生一定的螺旋型磁场，将其中的等离子体约束住，使其与外界尽可能地绝热。

这样，即使将等离子体加热到上亿的高温，也不会破坏“容器”，因为它们一直被托举在空中。

厉害在哪？

HL-2M 于 2009 年立项，由中核集团核工业西南物理研究院自主设计建造。

该机构的聚变科学所副所长钟武律在接受中国之声采访时说：“这个装置它是我国自主设计建造，采用了先进的结构和控制方式，具有先进偏滤器位形的优势。”

它是中国目前规模最大、参数最高的先进的托卡马克装置。其体积是目前国内现有装置的两倍以上，等离子体的电流能力可以提高到 2.5 个兆安培，等离子体离子的温度可以达到 1.5 亿度，相当于太阳核心温度的 10 倍。

HL-2M 建成后，进行了放电实验。这是为了使 HL-2M 真空室内的气体变成等离子体态，最终让足够多的等离子体加热到 1 亿摄氏度以上。

在 HL-2M 之前，中国已经建成了多个托卡马克装置，比如东方超环（EAST）和 HL-2M 的“前任”中国环流器二号 A（HL-2A）。

东方超环由中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主研制，曾经创造过多项世界纪录。2018 年 11 月，东方超环首次实现了 1 亿度等离子体放电，加热功率超过 10 兆瓦，等离子体储能增加到 300 千焦。2020 年 4 月，该装置又实现了把 1 亿度维持了近 10 秒。

东方超环装置鸟瞰图

HL-2A 的历史更长，于 2002 年底完成，是中国第一个具有先进偏滤器位形的、非圆截面的托卡马克装置。HL-2M 正是在 HL-2A 的基础上，改造升级而来。

为什么要发展“人造太阳”？

在 21 世纪，能源问题是全人类面临的主要问题之一。2020 年世界人口已经达到了 78 亿，并且这个数字还在不断增长，而地球上煤炭、石油和天然气等不可再生的化石燃料资源，却是有限的。一边是不断增加的人口，另一边是不可再生的能源，人类需要一种新的能源供给方式。

核聚变被视为解决能源问题的终极方案。钟武律解释说：“（托卡马克）这种装置的原理和太阳发光发热原理类似，就是核聚变......我们最终目的是要利用它来实现核聚变，并且释放能量，用来发电。”

事实上，一个集结全球最前沿技术力量的“人造太阳”项目，已经在法国展开。2006 年，中国加入了“国际热核聚变实验堆”项目（ITER）。它位于法国南部卡达拉舍，是目前世界规模最大的核聚变反应堆，聚变功率高达 5 亿瓦特（500 MW），相当于 10 平方米的太阳表面。

ITER 俯视图

这个项目由七个成员实体共同资助和运行，分别是中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国。2020 年 7 月 28 日，ITER 重大工程安装启动仪式在法国举行。