半個世紀(jì)的「人造太陽」夢逐步實現(xiàn) 永久解決能源問題還要多久？

當(dāng)我們越來越離不開能源時，一個「人造太陽」的想法便產(chǎn)生了——如今已 45.7 億歲的太陽正不斷通過核聚變向太空釋放光和熱，如果核聚變可控，它將成為未來世界的能量來源，永久解決人類社會能源與環(huán)境問題。

那么，只要設(shè)計出一個巨型裝置產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，是不是就能制造出第二個太陽了呢?

為了解答這一問題，各國政府、科學(xué)家、商業(yè)公司都參與了進來，「人造太陽」的夢想也逐步實現(xiàn)。

甜甜圈里的巨大能量

所謂核聚變，其原理就是核外電子在極高的溫度和壓力下擺脫原子核的束縛，使得兩個原子核互相吸引而碰撞到一起互相聚合，從而形成質(zhì)量更重的原子核;與此同時，中子也逃離了原子核的束縛，因此便有了巨大的能量釋放。

為了進行這樣一種核反應(yīng)，蘇聯(lián)科學(xué)家設(shè)計了一種特殊裝置——「托卡馬克」(Tokamak)。

二戰(zhàn)末期，蘇、美、英等國都在進行核聚變研究，旨在用于軍事目的。20 世紀(jì) 50 年代，蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的一個科研團隊便發(fā)明了一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器托卡馬克。

裝置的主要特征其實不難從其名稱看出——Tokamak 由環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、線圈(kotushka)四個單詞組合而成。

要進行核聚變，科學(xué)家們要做一些準(zhǔn)備工作——先抽出真空室里的空氣和雜質(zhì)，接著給能夠限制、控制等離子體的磁體系統(tǒng)充電，并引入氣態(tài)燃料。

受到極高的溫度、壓力的影響，真空室里的氣態(tài)氫燃料會發(fā)生電分解，電離并形成等離子體。當(dāng)?shù)入x子體粒子被激發(fā)并碰撞時溫度升高，達到熔融溫度(1.5-3 億攝氏度)。在達到這種程度后，粒子便克服碰撞時的自然電磁排斥力進行融合，大量能量由此釋放。

1968 年 8 月，在蘇聯(lián)新西伯利亞召開的第三屆等離子體物理和受控核聚變研究國際會議上，庫爾恰托夫研究所研究團隊的阿齊莫維齊宣布了受控核聚變領(lǐng)域研究的重大突破(電子溫度 1keV，質(zhì)子溫度 0.5keV，nτ=10 的 18 次方 m-3.s)。

此后，一股托克馬克風(fēng)潮掀起，各國研究院所開始自主建造或在蘇聯(lián)的基礎(chǔ)上改建，希望利用托卡馬克(雷鋒網(wǎng)注：托卡馬克被認(rèn)為是最有優(yōu)勢的受控核聚變裝置)進行受控核聚變研究。其中就包括美國普林斯頓大學(xué)、美國橡樹嶺國家實驗室、法國馮克奈-奧-羅茲研究所、英國卡拉姆實驗室、西德馬克斯-普朗克研究所等等。

七國一起造太陽

正如上文所述，研究核聚變不僅僅是科學(xué)家的事，也涉及到了政治因素。

1985 年，盡管還在冷戰(zhàn)期間，美國總統(tǒng)里根和前蘇聯(lián)總統(tǒng)戈爾巴喬夫仍在某次首腦會議上倡議開展一項國際核聚變研究合作。

同年，在國際原子能機構(gòu)(IAEA)的主持下，「國際熱核聚變實驗堆」(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)計劃創(chuàng)立。

1987 年，國際原子能機構(gòu)總干事邀請歐共體、日、美、加、蘇聯(lián)等國的代表共同探討并達成協(xié)議合作建造。次年，研究設(shè)計工作正式開始。

本質(zhì)上，ITER 是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克，也被稱為文章開頭所說的「人造太陽」。

造一個“太陽”談何容易。一直到 13 年后的 2001 年，耗資 15 億美元的 ITER工程設(shè)計工作完成。

2006 年 5 月，在經(jīng)過 5 年談判后，我國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了 ITER 計劃協(xié)定。

2007 年，作為一項國際大科學(xué)工程計劃，ITER在法國啟動，最初計劃于 2016 年完成，耗資 110 億美元。然而，ITER 計劃是僅次于國際空間站的國際大科學(xué)工程計劃，進展也并不順利。

2020 年 4 月底，施工人員開始安裝 ITER托卡馬克的首個主要部件。

實際上，此次新冠疫情也影響了工程進度——施工現(xiàn)場的工作人員數(shù)從 2500 削減至 700。

雷鋒網(wǎng)在ITER 官網(wǎng)留意到，截止 2020 年 4 月 30 日，第一個等離子體完成進度為 69.3%。

能把進度條放在官網(wǎng)的醒目位置，可見ITER 團隊對這一項目既有期待也有焦慮。

據(jù)悉，ITER 團隊計劃在 2021 年底前將主要部件運到現(xiàn)場，希望在 2025 年 12 月前啟動「人造太陽」，屆時，世界上最大的托卡馬克裝置也將問世。

中國“太陽”創(chuàng)世界紀(jì)錄

實際上，自 1968 年 8 月的第三屆等離子體物理和受控核聚變研究國際會議后，我國科研力量也逐步開始投入了托卡馬克裝置的研究。

早在 1990 年，中國國家科學(xué)院等離子所就開始組織興建大型超導(dǎo)托卡馬克裝置，當(dāng)時也是受到了來自俄、美、歐盟等地專家的大力支持。

1993 年，我國建成了 HT-7，成為繼俄、法、日(分別為 Tore-Supra、T-15、JT-60U)后第四個擁有同類大型裝置的國家。

值得一提的是，HT-7 源自蘇聯(lián)方面贈送給中國的 T-7 裝置，不過 T-7 裝置原本不具備物理實驗功能。經(jīng)過改造，HT-7能夠開展多種實驗

在 HT-7 的基礎(chǔ)上，1998 年大型非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置 HT-7U 立項。

2003 年 10 月，HT-7U 正式改名為 EAST，即 Experimental and Advanced Superconducting Tokamak，也就是世界上第一個非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克、令中國走在世界可控核聚變前列的“東方超環(huán)”。

2006 年，EAST 工程全面完成，兩次放電調(diào)試都獲得了穩(wěn)定、重復(fù)和可控的等離子體。

2009 年，“東方的太陽”也迎來了它的高光時刻——首輪物理放電實驗成功，這標(biāo)志著我國站在了世界核聚變研究的前端。

前不久，EAST 再次取得重大突破，等離子體中心電子溫度首次實現(xiàn) 1 億攝氏度運行近 10 秒。

不過，雖然成績喜人，不少人更為關(guān)注的應(yīng)該是如何應(yīng)用。

據(jù) SELF 格致論道講壇報道，此前中國工程院院士、中科院等離子體物理研究所研究員李建剛表示：

我們現(xiàn)在正在做實驗裝置、參加 ITER，但是希望十年以后能建造中國自己的工程堆，這樣才能夠驗證發(fā)電。有了這個東西以后，在 50 年到 60 年之間就能商用化。

「人造太陽」的夢想始于半個世紀(jì)以前，如今夢想逐步走向現(xiàn)實，究竟可控核聚變何時會真正惠及人類，我們拭目以待。