人造太阳(合肥“人造太阳”造的？)

这是网友在网上经常看到的疑惑的问题。今天，我们一起来解开这个谜团。

首先，所谓的“人造太阳”并不是某些人想象的拍着脑袋制造一个明亮的小太阳，而是核聚变获得的能量，可以用来发电，也可以作为各种动力源。说了这些，就应该明白所谓的“人造小太阳”对人类有什么用了。

毕竟“人造小太阳”是核聚变反应堆。

反应堆是允许核反应在其内部发生的装置，它是指包括建筑物在内的一整套设备系统。核聚变反应堆为什么被称为“人造小太阳”？这是因为核聚变的原理模仿了太阳。

包括太阳在内的所有恒星，其核心区域都在不断进行氢核聚变，产生巨大的能量，使恒星变成一个巨大的电离气球，带着光和热，通过电磁辐射不断向Tai 空释放能量。只有地球能分享22亿分之一的太阳辐射能量，才能养育亿万生命，才能让人感受到美好。

人类模仿太阳的核聚变模式，在地球上建造核聚变反应装置，不断进行实验。这类项目或工程俗称“人造小太阳”。

合肥的“人造小太阳”就是这样一个研究基地。这个基地成立于1978年9月，前身是合肥受控热核反应研究实验站，后改为中国科学院等离子体物理研究所，简称“等离子体所”，简称ASIPP。现在，这个研究所进行的受控核聚变研究已经走在世界前列。

人工核聚变和太阳能核聚变的区别

核聚变是目前人类掌握的最大的质能转换技术，但目前人类掌握成熟的核聚变方式还是不可控的，那就是氢弹爆炸。这种核聚变方式“爆炸”过一次，那是能量的瞬间释放。除了威慑和战争，它很难用于造福人类社会。

受控核聚变就是让这种多核能量经历一个缓慢释放的过程，从而可以作为发电的能源，或者作为地面交通、航空空、航天等的优质能源。说起来，太阳的核聚变也是受控的，可以慢慢燃烧100亿年。这是因为太阳的核聚变受到引力的约束，即太阳巨大质量的引力向心压力抵抗核聚变巨大的辐射压力。两种压力形成平衡，使太阳稳定燃烧46亿年，还可以再燃烧54 ~ 64亿年。

这种重力约束形成3000亿个大气压，使地核产生1500万度的高温。太阳的核聚变就是在这种条件下继续进行的。地球上的人类无法制造出这么高的压力，所以要实现可控核聚变，只能想办法提高温度。通过科学实验和研究，在地球条件下实现可控核聚变至少需要上亿℃的温度。

核聚变是氢同位素氘和氚的原子核聚合成氦的聚合过程。要实现这种聚变，需要具备剥离氢原子周围电子的条件，使隐藏在原子中心的原子核暴露出来，原子核相互碰撞聚变，这样氢原子核就会凝聚成氦核，失去约0.7%的质量，转化为能量释放出来。

一般来说，只要温度达到10万度，原子周围的电子就可以被剥离。但是，如果原子的外围电子被剥离，核聚变并不意味着会发生核聚变。这是因为所有的原子核都带正电，同性相斥，原子核之间存在所谓的库仑力，也就是原子核之间的斥力，使它们不接触，不融合。

为了熔化它们，有必要在不增加压力的情况下再次升高温度。根据热力学定律，温度越高，粒子的振动就会越剧烈，达到1亿℃，这些粒子的布朗运动就会达到疯狂的程度，以至于在剧烈的碰撞中无可奈何地融合在一起。

受控核聚变中的困难

受控核聚变需要克服两个主要困难:1 .如何约束可控核聚变所需的极高温度，换句话说，什么容器能装这么高的等离子体，让它们不乱跑，不捣乱；2.输出能量怎么能大于输入能量，比例越高越好。

先说第一个难点。

地球上所有的物质中，耐高温的合金是铪，熔点4400℃；金属是钨，熔点3410℃；它是非金属碳，熔点为3850℃。熔点是多少？当温度这么高时，它融化成液态，然后蒸发。

地球物质的耐受温度不到10000度，而聚变温度需要10000度，还差得远。那么什么样的容器可以用来“装”一亿度高温等离子体进行核聚变呢？物质的东西不行，只能找非物质的东西。根据等离子体的带电性质，科学家们找到了一种磁约束方法。

所谓磁约束就是设置一个真空磁阱，让高温等离子体被约束在这个磁阱里燃烧。磁阱可以将高温等离子体与设备无任何接触地隔离，使等离子体不能熔化或汽化设备。

这种设备俗称托卡马克装置，最早是前苏联发明的。它是目前世界上最常见的受控核聚变实验装置。世界上还有很多国家在进行惯性约束实验，这也是实现可控核聚变的一种方法。有不同的用途，今天就不展开了。

第二个困难

有了核聚变等离子体的容器，实验就可以开始了。首先，制作一个能够容纳核聚变等离子体的磁阱需要耗费大量的能量，然后试图让束缚在磁阱中的核燃料温度达到一亿度。所需的能量称为输入能量，而核聚变能产生的能量输送到装置外部，我们称之为输出能量。

常识告诉我们，只有核聚变的输出能量大于输入能量，这个核聚变才有造福人类的意义，否则得不偿失。

科学家称这种输入输出能量的比率为倍增因子，简称Q值。Q值越大，能量输出越多，效益越好。经过计算，反应堆装置巨大的建设成本和运行成本，加上输入能量，一般都有一个大于10的Q值，即输出能量是输入能量的10倍以上，才能实现效益。

说起来容易做起来难。前苏联在1954年建成第一台托卡马克装置后，用了16年时间做了无数次实验，却未能获得任何能量。

直到1970年，苏联科学家才第一次从改进的托卡马克装置上获得能量输出，而且输出极小，Q值只有10亿分之一。虽然只得到这么一点点需要极其精密的仪器才能探测到的能量，但对于全世界的科学家来说，这已经是一个重大突破，这至少说明托卡马克装置是可以产生输出能量的。这个结果让全世界的科学家看到了可控核聚变的希望和前景。

世界受控核聚变的发展趋势

1970年，前苏联科学家在托卡马克装置中产生能量，为全世界的受控核聚变研究注入了一针强心剂。所有国家都从沉睡中醒来，成群的蜜蜂建造了自己的大型托卡马克装置。这些装置主要有欧洲的United Ring -JET，苏联的T20(后来降为T15，但具有超导性)，日本的JT-60，美国的TFTR等

随着实验的进行，Q值的记录不断被刷新。1991年，欧盟环的受控核聚变反应实现了0.12的Q值；1993年美国TFTR实验Q值达到0.28；1997年9月，欧盟环的Q值达到0.6，之后又增加到0.65。三个月后，在日本的JT-60实验中，Q值达到1，然后是1.25。

q值超过1，说明输出大于输入，这又是一个显著的进步。

世界上许多国家正在联合建造最大的可控核聚变装置。虽然这个装置主要采用了托卡马克装置的原理，但它不再是通常意义上的托卡马克实验装置，而是一个真正的国际热核实验堆，简称ITER。这一国际合作项目于2006年启动，中国、美国、俄罗斯、英国、瑞士、印度、日本、韩国和欧盟等27个国家加入其中。

ITER由超过一百万个组件组成，其中强大的超导磁体有四层楼高，每层重达360吨。目前，2300人正在这个项目的施工现场忙碌着。预计2021年完成设备安装，2025年开始等离子体实验，2035年进行氚聚变实验。目标是产生500兆瓦的热能或200兆瓦的连续电能。项目总投资200亿欧元。

项目的Q值目标是> 10，即输出能量达到输入能量的10倍以上。

中国可控核聚变的进展

中国在托卡马克受控核聚变的发展上起步较晚，第一台托卡马克装置于1974年建成。但通过这几年的努力，实现了弯道超车，领先世界。

1974年后，中国相继建成了HT-6B和HT-6M常规磁体托卡马克装置。后来，合肥超级环(HT-7)是一个圆形截面的全超导托卡马克装置，东超级环是世界上第一个非圆形截面的全超导托卡马克装置。核聚变物理实验取得多项国际领先成果。

2017年7月3日，合肥等离子所传来好消息。科技人员在EAST实现了1.2亿度稳定长脉冲高约束等离子体运行101.2秒，然后1.6亿度运行20秒。这是迄今为止世界上最长的托卡马克装置，也是世界上首次实现百秒级的稳定和高约束。

近年来，中国还在成都建成了中国环流器II M(HL-2M)，这是中国自主研发的新型热核聚变实验堆。与现有的托卡马克装置相比，HL-2M装置采用了更先进的结构和控制方式。与EAST装置相比，该装置的体积更小，但等离子体室的体积是原装置的两倍，反应温度可达1.5亿度。该装置于2020年12月4日建成，并实现首次放电。

中国的科技精英并没有止步于这些成就，也没有满足于参与世界上最大的热核反应堆项目，而是在建设一个更加雄心勃勃的项目:中国聚变工程实验堆(简称CFETR)。该项目的实施计划是2021年开始建设，2035年完成，开始大规模实验，2050年完成实验。

本项目的目标是第一阶段实现200 MW的输出功率，然后通过改进在同一套设备上逐步达到1,000 MW的输出功率，使Q值大于25。这是一个示范工程，是一个样板工程，对我国今后参与国际受控核聚变研究，推动受控核聚变走向社会应用具有重要的指导和借鉴意义。

为什么人类要花那么多时间发展可控核聚变？

究其原因，主要基于两点:第一，人类目前正面临能源危机，需要寻求新的、更好的、更有潜力的能源，才能让人类文明继续前进。但是，地球上有很多核聚变燃料，可以说是取之不尽，用之不竭；其次，核聚变能源的生产过程完全没有污染，有利于修复和保护被人类破坏的自然环境。

先说核聚变原料的储备。

受控核聚变使用的主要原料是氢同位素氘和氚。这种原料在海水中的存量很大，每升海水可以提取0.03毫克的氘。这些氘可以通过核聚变产生相当于300升汽油的能量。全球海水总量为135亿立方米，每立方米相当于300吨汽油，海水中储存的氘相当于4.05万亿吨汽油。

而且海水中可以提取氚，月球上有大量的氦-3，是核聚变的优质燃料。月球上的氦-3可以供应人类一万年。

现在人类每年使用的燃料相当于50亿吨石油，所以按照现在的需求，储存在海水中的核聚变燃料可以使用810亿年。当然，未来人类对能源的需求可能远远大于现在，这一点我们今天不讨论也不展开。这里的要点是，如果可控核聚变得以实现，人类至少在相当一段时间内不会被能源危机困扰。

核聚变的另一个特点是不会产生任何污染。

这比人类已经熟练运用的核裂变能量强多了。核燃料储量小、加工困难、放射性强等诸多严重污染。世界上发生了许多污染事故，给人类带来了灾难。前苏联切尔诺贝利核电站爆炸导致核泄漏，800多万人受害，近10万人直接死亡，27万人患癌症。

氢核聚变不会产生任何污染，是一种非常清洁高效的能源。与核裂变相比，具有无可比拟的安全性。核裂变是重核不断分裂的链式反应过程。必须严格控制反应速率。稍有差错，就会失控，导致严重的安全事故。

切尔诺贝利核电站爆炸是由于操作失误导致核反应失控造成的。

但是核聚变的连续条件要求很高，对条件的变化很敏感。只要稍有变化，反应就会终止。这增加了实现核聚变自持反应的难度，也从另一个方面增加了安全性。所以在核聚变过程中，如果设备稍有故障，反应就会终止，切断电源核聚变反应就会停止。这样，核聚变几乎不会导致安全隐患。

由于可控核聚变有如此多的巨大好处，各国当然都趋之若鹜。再难也要花大代价开发。这就是为什么人类几十年来一直在坚持发展，虽然很艰难，但从不放弃。从目前的发展趋势来看，受控核聚变很可能还要奋斗几十年才能投入民用。让我们满怀信心地期待吧。

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