人造太阳丨解读之一：什么是“人造太阳”？

什么是“人造太阳”

太阳几十亿年来源源不断以光和热的形式向外辐射能量，据估算太阳每秒向地球输送的能量相当于1.5亿亿度电，这些能量维持着地球上的水循环、大气循环、植物光合作用等自然现象。太阳巨大的能量来自于核心区域持续的核聚变反应，在太阳中心约五分之一半径的核心区域，每秒大约有3.6×1038个氢原子核发生聚变反应，亏损的质量高达430万吨，产生无比惊人的能量，如下图所示。

太阳能量来自于日核区的持续核聚变反应

如果我们可以研制一类装置去实现可控聚变反应，使其像自然界中的太阳一样实现持续的聚变反应，就可以源源不断地产生核聚变能。从而获得一颗永不落山的“小太阳”，来克服人类日益严峻的能源短缺问题，因此这项研究也被形象地称为“人造太阳”工程。

氘氚聚变反应示意图

为什么要造“人造太阳”

首先，能源供应面临挑战。目前地球上使用的能源仍以煤炭、石油和天然气为主导，传统化石能源占比高达83.13%。但化石能源储量有限，且具有不可再生性，持续大规模开发利用必将导致资源加速枯竭。其次，能源环境面临挑战。化石能源燃烧是温室气体排放的主要来源，在碳减排背景下，本世纪末我们需要建造35000座非化石能源电站，是本世纪初能源消耗量的6倍，如下图所示。

本世纪能源消耗与全球平均温升变化预测（IPCC 2013）

面对能源供应与环境的双重挑战，每个国家都在不断开发和利用稳定可靠的新能源，包括太阳能、风能，也包括核能。相比之下，核聚变能具有三方面优点：

第一，效率高。以氘氚聚变为例，一克氘氚聚变燃料产生的能量相当于燃烧8吨汽油。

核聚变反应能量密度高

第二，可持续。核聚变的主要燃料氘大量存在于海水中，每升海水中含约30毫克氘，完全聚变后释放能量相当于燃烧340升汽油。而海水中蕴藏约45万亿吨的氘，可供使用数百亿年。

海水蕴藏丰富的核聚变原料—氘

第三，清洁和安全。核聚变产物是氦，无放射性核废料，具有固有的安全性和清洁性；并且可以在短时间内通过熄灭等离子体的方法快速终止核聚变反应，不存在失控的危险。

（图文：中科院合肥研究院等离子体所副研究员 王腾）