太陽這種能源也能人造？

隨著科技的發展，在幾百年的時間里，把人類從騎馬馳騁轉變到駕駛汽車、火車、飛機；從篝火的星星點點亮光到用高效能日光燈把我們的夜晚照成白晝。文明的進步與日常生活的極大便利化的同時，人類對能源的日益依賴。激長的能源需求與現有的不可再生地球資源之間的矛盾，關乎人類文明的未來還能延續多久。

目前，主宰世界的石油、天然氣等化石燃料，其不可再生性以及環境污染性，讓越來越多的人把目光投向清潔能源如光能、潮汐能、風能的研究以及開發、利用上，而科學家們還遠不滿足于此。

^{太陽照耀著地球}

人類明白，一切上述地球能源，歸根結底全部來自于距離地球最近的恒星——太陽。幾十億年來，太陽以其內部龐大的能量源，溫暖著我們的地球，并由此直接催生了地球生命的誕生與發展。自此，科學家們很早就曾大膽的計劃，地球上是否可以人為制造類似小型太陽的產能裝置，即“人造太陽”計劃。

要制造太陽，必須了解看似能源源不斷的釋放能量的太陽，其能量來自于哪里。

^太陽結構

太陽的能量來源

天體物理學家們研究發現，太陽的核心部分，溫度高達1500萬攝氏度，壓力高達2500億個大氣壓。如此高溫高壓下，這一部分區域在不間斷的發生著核聚變反應。聚變反應過程中，四個氫原子核結合，成為一個氦原子核，并損失掉一部分質量。根據狹義相對論所堆出的質能方程，這一部分質量釋放出大量的能量。根據科學家們的探測數據粗略推測，太陽中心每秒鐘核聚變釋放的能量相當于92千萬億噸TNT當量，也即相當于每秒鐘太陽中心，爆炸約4萬億顆曾爆炸于廣島的“小男孩”原子彈。

^{太陽發生以每秒鐘6.2億噸氫的核聚變反應}

實際上，我們所熟知的核武器中的氫彈，利用的正是類似于太陽中心的核聚變反應。只不過這一反應是先通過類似原子彈的裂變反應，提供高溫高壓極端條件，然后觸發了聚變反應。可以看做是模仿了太陽中聚變反應的最后一步，并在短時間內釋放出具有破壞性的能量。

核能的和平利用

1945年，人類首顆原子彈于廣島爆炸，顛覆了整個人類對戰爭的認知。此前從未有過什么力量可以在一瞬間毀滅一整座城市。經歷了二戰的慘痛經歷，以及此后的冷戰中，使人類全部文明在懸崖邊緣徘徊的古巴導彈危機。人類深深的認識到了核武器駭人的巨大破壞性能量。此后，通過和平的手段利用核能，成為科學界長久以來的夢想與努力的方向。

^{日本福島核電站}

依據原子彈核裂變的原理產生能量的核電站，在世界范圍內發展迅速。特別是歐洲、日本等土地面積和自然資源匱乏，科技實力卻處于領先地位的國家，幾乎把核電站作為本國主要的能源獲取方式。然而近年來，隨著核泄漏、核污染事件的報道，世界范圍內的大型核電廠建設遭到廣泛的質疑和詬病。現有的核電廠，全部利用核裂變能，這種裂變反應的產物具有強放射性，難以處理，并且衰變時間長。一旦泄露，其核污染（主要指電離輻射）范圍不可想象。

^{核裂變反應原理示意}

核裂變為原子彈的基本放能機制，不同于核裂變，氫彈中利用的核聚變反應同為太陽（一切恒星）中心的能量產生機制，產物都為日常生活中常見的元素，不會產生放射性物質，不存在任何污染，且聚變反應能量產出遠遠大于裂變反應。此外，不同于裂變反應原料鈾，聚變反應原料為氫的同位素，獲取它十分容易，并且在大海中的存量十分豐富。可以說，聚變反應能必將成為人類在未來的主要能量來源。

^{核聚變反應原理示意}

可是，為什么現在一直沒有一家核電站是利用聚變能產生能量的呢？這就在于，觸發聚變反應所需要的條件極為苛刻。想要在地球上人為制造類似太陽中心所能達到的超高溫高壓，不是一件十分容易的事。而氫彈中，利用裂變觸發聚變的方式又太過武斷、簡單，只能瞬間釋放能量，無法人為可控的長時間持續提供能量。（總不能建造個電場，天天在里面炸氫彈吧？）

ITER計劃

國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER：International Thermonuclear Experimental Reactor），也被稱作“人造太陽”計劃，于1985年被國際科學組織倡議，并于1988年開始實驗堆的研究設計工作。2005年，歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國，這7個主要參與方正式簽署了聯合實施協定，啟動實施ITER計劃。計劃歷時35年，其中建造階段為10年，運行和開發利用階段為20年、去活化階段為5年。目前為止，ITER計劃是世界上僅次于國際空間站的又一個國際大科學工程計劃。

^{托卡馬克實驗示意}

前文提到過，達到核聚變所需的條件極為苛刻，也即是需要接近太陽核心處的高溫高壓。考慮到安全因素，一切科學實驗都應該盡量避免高壓，因此只能提高溫度。（溫度高了，大不了不去碰它，但是如果壓力大了，萬一出事故，那可就是爆炸）在上億攝氏度的溫度下，一切已知物體都會氣化，甚至接近等離子體態，沒有一種容器能放得了這么高溫的東西。那么就自然而然地想到，利用某種裝置使加熱物質懸浮于空中，不與其它任何物體接觸，并可以持續加熱到極高溫度。

^{托卡馬克實驗裝置結構}

在該計劃中，主要是利用了可以產生超強磁場的托卡馬克實驗裝置。用磁場將帶有電荷的等離子體約束于裝置的腔體中，被磁場約束的高溫等離子體在腔體中懸浮著做回旋運動，并不會碰到腔壁。經過逐步加熱至億攝氏度以上的超高溫度，從而觸發持續的聚變反應。

^{日本托卡馬克實驗裝置結構}

我國核聚變能研究開始于60年代初，盡管經歷了長時間非常困難的環境，但始終能堅持穩定、逐步的發展，建成了兩個在發展中國家最大的、理工結合的大型現代化專業研究所，即中國核工業集團公司所屬的西南物理研究院（SWIP）及中國科學院所屬的合肥等離子體物理研究所（ASIPP）。為了培養專業人才，還在中國科技大學、大連理工大學、華中科技大學、清華大學等高等院校中建立了核聚變及等離子體物理專業研究室。科技部依托中國科技大學成立“國家磁約束聚變堆總體設計組”，中國科技大學核科學技術學院院長萬元熙院士擔任組長。每年，都不斷有年輕的科技工作者在國內平臺接受培養而成長，并被挑選送去歐洲參與全人類共同努力的合作項目ITER。同時又不斷有從歐洲歸來的經驗豐富的核聚變領域專家，在中國培養新的人才，不斷傳承。

^{EAST全超導非圓截面托卡馬克實驗裝置}

EAST是由中國科學家獨立設計建造的世界首個全超導核聚變實驗裝置，于2007年通過國家驗收。它在近年來取得了一系列處于國際領先地位的實驗成果，其科學目標是為ITER計劃和中國未來獨立設計建設運行核聚變堆奠定堅實的科學和技術基礎。2012年，EAST物理實驗曾創造32秒高約束模世界紀錄。為進一步發展穩態高約束模，近年來，EAST相繼完成了輔助加熱、鎢偏濾器、等離子體物理診斷等系統的升級改造，克服了加熱與電流驅動、分布參數測量等關鍵技術難題，深入研究和基本解決了射頻波耦合、高約束等離子體穩定性控制、低動量條件下加熱和電流驅動下輸運等一系列物理問題，為實現長脈沖穩態高約束模等離子體奠定了堅實的基礎。

^{EAST全超導非圓截面托卡馬克實驗裝置結構}

就在不久前，位于合肥的中科院等離子體物理研究院的超導托卡馬克實驗裝置EAST報告等離子約束時間取得了重大進步：在第11輪物理實驗中再獲重大突破，獲得超過60秒的穩態高約束模等離子體放電，不僅在等離子體參數、約束性能和維持時間長度上全面、大幅度超過2012年的結果，而且實現了完全的非感應電流驅動（即穩態）。EAST因此成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。在純射頻波加熱、鎢偏濾器等條件下，實現穩態高約束模等離子體放電，是ITER的基本運行模式之一，ITER將采用射頻波主導的低動量注入運行模式以及主動水冷的鎢偏濾器結構。EAST是目前世界上唯一具備這兩大特色的且具有長脈沖運行能力的全超導托卡馬克，其穩態運行模式將為ITER和未來核聚變反應堆提供重要參考。