已经有一个太阳了，为啥还要研究“人造太阳”？丨大国科技范-

审核专家：甘强北京理工大学讲师，应用化学博士

“人造太阳”再次刷新纪录，国产大型客机C919实现商业运营，新疆盐碱地海鲜大丰收，医用重离子加速器投入临床应用，首艘国产大型邮轮“爱达·魔都号”试航成功，世界最深地下实验室等待暗物质“造访”......2023年，我国科技不断取得新突破，为人类生活和发展带来了新的可能性和机遇。

在建国74周年之际，数字北京科学中心为大家带来了特别栏目“大国科技范”，让我们回顾一下今年在党的领导下所取得的科技成果。

2023年8月25日，中核集团下西南物理研究院宣布，新一代“人造太阳”“中国环流三号”托卡马克装置（HL-2M）首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，其以太阳内部的核聚变反应为基础原理，反应后可以释放庞大的能源。

中国环流三号的CAD绘图来源：维基百科

这项突破是核聚变装置综合能力的体现，也是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑。此前在2022年11月，西物院就宣布HL-2M等离子体电流首次突破100万安培。这次实现的“高约束模式运行”，究竟有怎样的意义？

“人造太阳”的研究意义与运行原理是什么？

“人造太阳”其实是大规模热核聚变反应堆，其核心技术为核聚变技术。核聚变是一种将轻元素（如氢）在高温、高压条件下融合成重元素（如氦）的过程，通过聚变反应，释放出庞大的能量。这种通过人工聚变反应释放能量的形式和在恒星太阳中发生的核聚变反应十分相似，因此被称为“人造太阳”。

氘-氚的核聚变反应产生氦与中子来源：维基百科

核聚变实现的条件十分严苛。在太阳中，核聚变过程是在极高温度（数百万摄氏度）和极高压强下发生的，这两种条件缺一不可，科学家们在地球上使用了强大的磁场和等离子体来模拟这些条件。

等离子体是一种高温气体状态，通常是由氢同位素（如氘和氚）组成的，是由部分原子及原子团被电离后电子被剥夺产生的正负离子组成的离子化气体状物质，科学家用磁场来控制带电的等离子体运动，防止其接触到容器壳体，从而造成装置损坏等严重后果。

为了让等离子体达到所需的高温，科学家们使用各种加热系统，如激光、微波或射频加热器等。当等离子体达到足够高的温度和压力时，核聚变反应开始发生。这个过程将氢同位素核融合成更重的元素，通常是氘-氚反应，产生氦和中子，并释放出巨大的能量。
一旦核聚变发生，释放出的能量需要被捕捉和利用。这些能量通过反应室周围的热交换设备，转化为电能。

虽然目前尚未建成商业化的可控核聚变电站，但国际合作项目，如国际热核聚变实验堆（ITER），正在积极推进这一目标的实现。

“人造太阳”的研究进展

“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”就是“人造太阳”的官方名称，是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，ITER装置是一种超导磁约束聚变装置，也被称为“托卡马克”，可用于大规模核聚变反应。中国于2003年1月正式加入ITER计划谈判，于2006年5月，中国ITER谈判联合小组与欧盟、印度等六方共同签署了合作协定，并在2006年自行设计和研发出世界上第一个全超导磁约束聚变装置，于2007年通过国家验收。

我国参与ITER计划的决策，既是为提升我国基础物理的科研水平，也是考虑长远的能源需求与环境情况，以确保有能力开发高效清洁的未来能源，保证我国社会可持续发展。

ITER的托卡马克装置的小型模型来源：维基百科

2020年7月28日，国际热核聚变实验堆（ITER）计划重大工程启动仪式在法国总部举行。

2020年12月28日，韩国的超导托卡马克高级研究开创了一个新的世界记录。该超导磁约束聚变装置成功维持了等离子体在超过1亿摄氏度下的高温状态长达20s。

而今年5月28日的凌晨3时2分，在我国科研人员长达40年的埋头苦干后，“中国环流三号”全超导磁约束聚变装置在1.2亿摄氏度的极高温度下实现了一百零一秒的等离子体运行。甚至在温度提升到1.6亿摄氏度的恐怖温度后，聚变装置仍能温度运行20秒。这是我国在可控核聚变领域取得的重大科技进步，也是在全球科研与工程领域迈出的重要一步。

未来的机遇与挑战

“人造太阳”所运用的可控核聚变技术，是基础物理领域的重大难关。核聚变的研究和应用是一项庞大、复杂的科学和工程挑战，在全球范围内，数以千计的科学家和工程师夜以继日协同配合，寻幽探秘，花费了几十年的光阴对可控核聚变核心技术不懈探索，也耗费了巨大的物质和人力资源。然而，当今可控核聚变仍然存在着一些需要弥补的空间和困难。

①电能的巨大需求与损耗

要控制“人造太阳”中的高温等离子体，就需要一个巨大的磁场。以国际热核聚变反应堆（IETR）为例，其磁场高达13万高斯，维持这种强度的磁场就需要往导体中通入巨大的电流。由于电阻的存在，导体发热十分严重，这就会造成巨大的电能损耗。而目前的超导材料大都需要高压低温的环境，这就使得一个“人造太阳”中出现了“冰火两重天”，很难实现。

悬浮的超导材料来源：维基百科

② 能量输入和输出平衡

在可控核聚变中，必须确保能量输入大于等于输出，以维持核聚变过程，这也被称为“劳森判据”。这就要求工程人员在投入大量的能量加热等离子体的同时，要收集和转化产生的能量。

③材料的耐受性

目前，等离子体产生的高能中子会损害壳体和其他材料。因此，材料学家仍需要开发新的材料，以提高它们的辐照耐受性，以便反应堆能够长期稳定运行。

④控制等离子体

等离子体是一种高度不稳定的状态，其内部的温度和压力在空间上分布也不均匀，这会导致等离子体非常不稳定。科学家研究更稳妥的方式实现精确控制，以防止其漂移、扭曲或磁场失稳。

⑤大规模资金

要进行可控核聚变研究需要建设庞大的实验室，如国际热核聚变实验堆（ITER），这需要庞大的资金和国际协作。这些建设是为了容纳复杂的设备和大规模的实验，以模拟核聚变反应。

聚变能源拥有原料无尽、零环境污染、以及不产生高放射性核废料等诸多优势，因此被认为是未来人类能源的主要前景之一。研究“人造太阳”就是人类在寻找新型能源过程中迈出的关键一步。

尽管存在这些困难和挑战，科学家们正在不断改进技术设备，朝着实现可控核聚变的目标迈出坚实的步伐，我们有望在不久的将来取得更多的突破，为解决能源问题和减缓气候变化提供更多的选择。