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人造太阳是一个巨大的“保温杯”？

2024-07-02 20:48

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

很多小朋友都知道

太阳发光发热是因为

核聚变反应

那么，如果能在地球上制造一个科学装置

使得核聚变反应可控、持续的发生

将对人类面临的能源问题产生巨大影响

人们称这种装置叫

“人造太阳”

近日

中核集团与腾讯共同打造的

志愿科普品牌正式启动

中核集团

核工业西南物理研究院聚变科学所所长

新一代人造太阳总师钟武律

受邀做客青少年知识拓展类公益节目——

《给孩子们的大师讲堂》

在节目中

钟武律用“保温杯”作比喻

生动形象地为孩子们

讲解了可控核聚变知识

并带领他们共同探索了

我国自主研制的新一代“人造太阳”的奥秘

让青少年系统性地认识了

被誉为“终极能源”的核聚变能

探访了这座“大国重器”

想象一下

在“新一代人造太阳”这个

“未来能源保温杯”内部

有着一条“环形真空跑道”

在这条“跑道”里

等离子体中的原子核

会相互碰撞、融合

释放出巨大的能量

整个过程就像玩一场

超刺激的“粒子赛跑比赛”

粒子跑的时间越长、速度越快

“核聚变”发生的概率就越高

“新一代人造太阳”

让我们看到了核聚变反应的奇妙世界

看到了人类解决能源困境的希望

看到了科技发展的无限可能

谈“核”无需色变

提到核能与核技术应用，很多人下意识会想到原子弹爆炸或核电站事故。由于缺乏核科学与技术知识，公众难免谈核色变，甚至产生核恐慌。

其实，核与辐射无处不在。滋养万物生灵的阳光就是太阳核聚变产生的辐射，通过大气层过滤透射到地球表面。太阳能够持续发光发热，维持地球生态系统的健康循环，就是因为它内部时刻发生着核聚变反应。

在太阳核心区域，温度超过2000万摄氏度，这巨大压力，使氢原子核相互碰撞并融合成氦原子核。这个过程就是核聚变反应，反应释放出的能量成为地球上的光和热源。

所以，核不可怕，更不可少。

为了探索“理想清洁能源”，造福人类可持续发展，科学家们模拟太阳发光发热原理，在地球上建造能够承受住亿度高温、且可控输出能量的核聚变装置——“人造太阳”。

我国自主设计研制的可控核聚变大科学装置——新一代人造太阳

在地球上，氢的同位素氘（dāo）和氚（chuān）这两种轻元素，是最容易实现的核聚变反应。

利用“人造太阳”装置让这两种元素的原子核无限接近，并融合在一起，就是核聚变反应的过程，这个过程释放出的“核聚变能”，是人类最理想的清洁能源之一，也是解决人类社会能源问题和环境问题的重要途径。

《给孩子们的大师讲堂》动画演示核聚变反应过程

一只巨大的“保温杯”

核聚变在地球上并不具备自然发生的可能，想要人为制造核聚变反应，需要非常苛刻的条件。

第一，温度要足够高，使燃料变成超过1亿度的等离子体。1亿度比太阳中心的温度还要高出数倍，足以轻松融化掉地球上任何一种材料。在这种情况下，还要保证等离子体不损坏作用它的设备装置。

第二，等离子密度要足够高，这样两个原子核碰撞的概率就会更大。

第三，在撤除外部加热源以后，要把高能量的等离子体在有限的空间里约束足够长的时间。

任何一项条件无法满足，核聚变反应就会自动终止。

怎样才能让核聚变反应稳定、持续、大规模地发生呢？

钟武律将我国目前设计参数最高、规模最大的核聚变大科学装置——新一代人造太阳比拟为一只形状特殊的巨大“保温杯”，方便青少年理解其如何控制核聚变反应。

这个“保温杯”内部利用磁场建设了一条“环形真空跑道”，控制等离子体悬浮在跑道上，沿着既定的路线做螺旋式运动，并相互作用，从而发生核聚变。——用强磁场的方式约束带电粒子，可以把超过1亿摄氏度的等离子体和装置材料隔离开，让其在容器中盘旋、绕圈，不接触到装置内壁，从而保护装置安全。

新一代人造太阳的环形真空跑道示意图

“理论上，只要让这些粒子温度更高，跑得更快，并且跑道上挤满粒子，它们长时间跑下去，那核聚变发生的概率就更大。”

但在实验过程中，科学家们发现，这些粒子非常“个性”且“反卷”。它们一旦被束缚在这个温度又高又拥挤的环境中，便会想办法为自己降温——通过抖动的方式释放能量，甚至“逃跑”。

《给孩子们的大师讲堂》动画演示不易控制的等离子体燃料

科学家只能通过大数据模型预测，以及一次次的实验对比验证，找到“约束”等离子体燃料的最佳方式，让核聚变早日走向应用。

新一代人造太阳所采用的“磁约束”实验方式，是目前全球公认距离人类实现“可控核聚变”目标最近的方式。

与想象双向奔赴，守护人类福祉

《流浪地球2》中，人类推动地球离开太阳系，所依靠的就是核聚变行星发动机。全球布置的上万台发动机，将石头中所包含的重元素进行核聚变反应，从而产生巨大推力。

这并非遥不可及的科学幻想，钟武律向青少年分享：“一代代核工作者不断努力的目标，就是希望与大家的想象双向奔赴。”

如今地球所有的“人造太阳”都还只是实验装置，并没有实现能够自我维持的核聚变。可正是这样日复一日的实验和提升，“可控核聚变”才能早日进入我们的生活。

从1965年开始，到1984年中国环流一号实验装置建成运行，到如今新一代人造太阳攻克多项关键技术难题、多次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，我国核聚变技术已从过去的跟跑到并跑，到部分技术达到国际领先水平。

钟武律告诉青少年，我国除了持续精进自身科研水平，也积极在国际合作中贡献“中国智慧”和“中国方案”。

2006年，我国就加入全球规模最大、国际影响力最大的可控核聚变项目——“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”。该项目由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国七方共同实施，以及30多个国家参与，计划在法国南部普罗旺斯地区共同建造一个世界上最大的托卡马克装置。

中核集团作为中国参与ITER计划的主要承担单位，负责了其中许多核心部件的研制任务，相关研发进度和完成质量被全球赞誉。

今年2月，ITER组织再与中核集团中核工程牵头的中法联合体正式签署真空室模块组装合同。这是中国在成功安装该装置的心脏设备之后，再次承担其核心设备的安装任务。

ITER组织与中核集团中核工程牵头的中法联合体签署真空室模块组装合同

想象一下，“人造太阳”从实验室迈向商业化成熟应用后，大量廉价、可持续的清洁能源，也能推动科幻片中的场景，走入现实生活。我们甚至能驾驶核聚变能驱动的星际飞船在宇宙中穿梭。