中国"人造太阳"现身！问题来了：太阳好好的，为啥还要造？
2019/4/28 17:01:00中核集团西物院 中国科普博览
都说官媒皮起来最为致命。最近一个科学家迪斯科版《种太阳》在网络上大火，一群科学家跳起现代舞来简直毫无违和感。
为什么要唱《种太阳》呢？因为他们真的在造一个“太阳”……
这几天，由国务院国资委新闻中心发起的#科幻作家走进新国企#中核篇活动中，这个神秘的“太阳”基地才首次大规模对外开放!
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核工业人就是在这样艰苦卓绝的环境中，不懈研发中国“人造太阳”。
“人造太阳”？难道我们真的要造一个太阳？网友开始各种脑洞大开——
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说这么多，到底啥叫“人造太阳”呢？
简单说，就是科学家想在地球上建造一个装置，模拟太阳发光发热释放能量，一劳永逸解决人类的能源问题。
这个听起来极其疯狂，甚至有点魔幻色彩的事情，真的能实现吗？
为什么非要“造个太阳”？
已经有一个太阳了，为什么还非得要再造个太阳呢？要说清这个问题，需要从能源说起。
我们人类从生产到生活，各种活动无一不需要能源。
但地球上的能源不是取之不尽的，比如我们常用的煤、石油、天然气等化石能源，大概只能用几十年。除了储量有限，化石能源还有一个问题就是污染环境。
风能、水能虽然干净，但供量有限，且受自然条件影响大。
人类千方百计去解决能源不足问题，但迄今为止，没有任何一种方式能像头顶这颗太阳那样无限供应能源且不带来污染。
于是在核技术不断创新的今天，人们对于建设一个类似“人造太阳”的愿望愈发强烈。
那“人造太阳”为什么就能无限供应能源呢？
“人造太阳”产能的原理是什么？
太阳是利用核聚变反应，不断向地球输送能源的，“人造太阳”当然也需要借助核技术。
而这种核技术尝试分为两条道路：核裂变和核聚变。
核裂变则是由重的原子核分裂变化为轻的原子核，从而产生巨大的能量。
核聚变是将两个质量轻的原子核“聚合”成为一个重原子核，我们知道能量是守恒的，“消失”的质量会转变为巨大的能量，而且能量比核裂变更高。
核聚变反应原理(图片来源：中核集团西物院)
那产生能量到底有多大呢？
有个形象且相对准确的说法就是——1升海水通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油。
而且核聚变反应的完美之处在于：
反应产物仅为惰性气体氦，无毒无害；即便运行过程中也可以即关即停，极少产生放射性废物或不可控负面效果；原料容易获得，毕竟聚变反应所需元素广泛的存在于海水中，而“地球上什么都缺，最不缺的就是海水”。
核聚变装置内部反应状况(图片来源：网络)
核聚变离我们生活遥远吗？一点都不。
核聚变部分关键技术已经被应用到了生活中的方方面面，如医用高场核磁共振、军民两用高功率微波技术、病菌灭活等。
甚至很多科幻片中都常有它们的身影，如复仇者联盟的钢铁侠胸口的能量方舟反应堆，从科幻角度去理解的话，可以看作是一个 “人造太阳”发电站的浓缩版。
钢铁侠的能量方舟(图片来源：网络)
电影《流浪地球》里的行星发动机就是个大型核聚变反应堆，推着地球一直前行，却不用担心半路“抛锚”。
行星发动机(图片来源：网络)
所以，在地球上“造个太阳”回报远超投入。看到这里有人会说那就开始造吧，但其实没那么简单。
“人造太阳”到底有多难？
从广义角度而言，“造个太阳”作为科学研究并不难。
从上世纪五十年代开始，世界上大大小小的“人造太阳”核聚变实验设备不断涌现。
而从狭义角度而言，人类离最终可真正利用“人造太阳”还有一定的距离。
国际公认的聚变研究步骤是聚变实验堆→示范堆→商用堆，只有最终的商用堆才是“人造太阳”的终极目标。
图片来源：科普中国微博
“人造太阳”装置反应条件很苛刻：高温度、高压力、有限空间的高约束和稳定约束时间。
但以现有工程技术、材料技术等还有很多条件达不到。
而且，人们不仅仅是要“造一个太阳”，更重要的是通过各种了解“人造太阳”的一切行为习惯，掌握规律为人所用，这才是“人造太阳”最难的地方。
我国“人造太阳”造的怎么样了？
那我们国家的“太阳”造的怎么样了？
仅以中核集团核工业西南物理研究院为例，已独立建成2座，升级改造一座，在建一座。
中国环流器一号(HL-1)装置，坐落于四川乐山，1971年12月批准建设，项目代号“451工程”，意思是第四个五年计划的第一个项目，只是代号就让人感受到意义非凡。
这是由我国自主设计、自主建造的中国第一个、首个国际中等规模的托卡马克装置，是我国受控核聚变能源开发中当之无愧的里程碑，荣获国家重大工程银质奖、国家科技进步一等奖等奖项。
中国环流器一号(HL-1)装置(图片来源：中核集团西物院)
中国环流器新一号(HL-1M)是以HL-1装置为基础改建而成。
1999年11月，专家评议会给中国环流器新一号以高度评价：取得了一批具有特色的、达到国际先进水平的实验成果，使我国的核聚变实验研究水平又迈上了一个新台阶。
中国环流器新一号(HL-1M)装置(图片来源：中核集团西物院)
中国环流器二号A装置(HL-2A)，1999 年正式动工建造，2002年12月通过验收。
迄今为止，借助这个新“聚变利器”，2006年已将等离子体电子温度提升到了5500万度，标志着中国人向聚变装置点火所需的1亿度高温迈进了一大步。
实验图(图片来源：中核集团西物院)
2009年又首次实现了偏滤器位形下高约束模式(H模)运行。
最近实验结果显示，关键的离子温度达到了约5000万度，同时，在国内首次实现了高比压(βN>3)等离子体放电运行，标志着我国聚变研究在装置加热、运行与控制、器壁处理等方面的整体水平得到进一步提高。
中国环流器二号A装置(图片来源：中核集团西物院)
划重点!下面该说说我们今天的主角了——中国环流器二号M装置(HL-2M)。
即将建成的先进托卡马克装置中国环流器二号M装置(HL-2M)是由我国自主设计和建造的又一聚变利器。
中国环流器二号M装置(图片来源：中核集团西物院)
建成时芯部的最高电子与离子温度可分别达到16keV(约2亿度)和12keV(约1.5亿度)。这意味着中国的核聚变装置综合性能已成功晋级世界核聚变研究强国第一梯队。
目前环流器一号、新一号服役期已满，正在服役的是二号A装置，即将投入使用的是二号M装置。
人类建造“人造太阳”的道路上，不断让其各项功能趋于真正的太阳，这个过程就类似于医生用听诊器来了解个体的健康状况。
作为世界聚变研究的重要组成部分，中国环流器系列装置多项成果达到、甚至超过世界水平，每一个数据的产生都经过了科研人员长达数年的准备工作和反复验证，凝聚了无数科研人员的梦想与汗水。
目前全世界最大的核聚变计划叫做国际热核实验堆计划(简称ITER)，有七方参与，包括美国、欧盟、俄罗斯、中国、日本、韩国和印度。
国际热核实验堆计划(简称ITER)对比图(图片来源：中核集团西物院)
作为中国参与ITER计划的重要承担单位，中核集团核工业西南物理研究院取得了一系列核心技术突破。
试想，ITER实验堆建成后示范堆还会远吗？示范堆一旦进行发电成功，建造真正的聚变发电站还会那么遥不可及吗？用于千家万户的无限能源还只是个梦吗？
来源：科普中国微信 (ID:Science_China)
本文作者:贺明明 马泽宇 王海 李波 郑雪 杨龙
(中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所)
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