這就是中國優(yōu)勢 | 科技優(yōu)勢（十四）人造太陽：向人類終極能源邁進

【導語】“可上九天攬月，可下五洋捉鱉，談笑凱歌還?！边@是一種豪情與詩意，也是當今中國正創(chuàng)造的奇跡。中國人對未知的好奇、對探索的渴望、對困境的思考以及對美好未來的期待，推開了一扇扇嶄新世界的大門：空間探測、生物醫(yī)藥、人工智能、量子科學……中國科技創(chuàng)新的步伐從未停止。正如習近平總書記所說，一切偉大成就都是持續(xù)奮斗的結果，一切偉大事業(yè)都需要在繼往開來中推進。新時代必將是大有可為的時代。

俗話說，萬物生長靠太陽。在太陽內部無時無刻不在發(fā)生著核聚變，為大自然帶來最普遍的能量來源。所謂“人造太陽”，并不是我們習慣意義上宇宙當中的那個太陽，而是指利用太陽發(fā)光發(fā)熱的原理——核聚變反應，在地球上建造一套核聚變裝置，像太陽一樣發(fā)生核聚變反應，從而源源不斷地產生能量。

多年以來，模擬太陽聚變反應原理再造一個“太陽”，被公認為是解決人類能源危機的最佳方案，有望一勞永逸地解決人類面臨的能源短缺問題。令人興奮的是，中國在利用受控核聚變技術建設“人造太陽”方面已經走在世界前列。曾經兒歌里唱的“種太陽”，正在一點點變成現實。

2021年4月13日拍攝的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）。（圖源：新華社）

點燃“人造太陽”的曙光

太陽是距離人類最近的恒星，實際上就是一個超級核聚變反應堆，其內部每秒就有6億噸氫通過聚變反應轉化為氦，在這個過程中大約有420萬噸的凈能量釋放到宇宙中，相當于3.78×10^26焦耳的能量。地球僅從中獲得了22億分之一1.72×10^17焦耳，相當于每秒約19公斤的凈能量釋放，就造就了宜居的地球生態(tài)系統(tǒng)，可見核聚變能源之強大。

2018年8月29日，科研人員在進行EAST裝置內部檢查。（圖源：新華社）

“人造太陽”重要性體現在哪里?這要從核聚變能的優(yōu)點說起。核能包含核裂變能和核聚變能兩種主要形式。相較于在核電站中成熟應用的核裂變，核聚變沒有放射性。支持核聚變的原料是氘和氚，反應的生成物是氦氣，對環(huán)境無害，一旦造成反應的等離子體熄滅，聚變反應會終止。核聚變的原料儲量也很豐富，氘可以直接在海水中提取，氚則可以通過中子和鋰反應產生。據估算，一升海水中提煉出來的氘經過核聚變反應釋放出的能量相當于300升汽油完全燃燒釋放的能量。核聚變能憑借資源無限、清潔環(huán)保，不產生高放射性核廢料等優(yōu)點，是目前認識到的、可以最終解決全球能源問題的重要途徑之一。一旦人類掌握了核聚變能，將擁有可使用上百億年的清潔能源。

不過要讓核聚變成為能量來源，現實操作并不容易。從20世紀50年代開始，中國與國際基本同步開始了在可控核聚變領域的研究。20世紀90年代初期，中國用價值400萬人民幣的羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換來了蘇聯(lián)價值1800萬盧布的T-7的半超導托卡馬克裝置。經過科研人員的不懈努力，1994年12月，由T-7改造成的超導托卡馬克裝置HT-7首次獲得等離子體，成為中國第一個超導托卡馬克，也使中國成為繼俄、法、日之后第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家。

中國有兩個“人造太陽”

2020年7月19日，中核集團核工業(yè)西南物理研究院的工作人員在安裝調試中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）時進行環(huán)向場線圈外弧段吊裝工作。（圖源：新華社）

盡管可控核聚變技術和托卡馬克裝置最早起源于國外，但中國已經實現了后來者居上，處于國際領先地位。如今，中國不僅有“人造太陽”，而且有兩個：一個在安徽合肥西郊“科學島”上的中國科學院合肥物質科學研究院內，是有著“東方超環(huán)”之稱的世界第一臺全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST);另一個則是位于四川成都中核集團核工業(yè)西南物理研究院的中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)。

2016年2月，EAST就實現了電子溫度達到5000萬攝氏度持續(xù)時間最長的等離子體放電;2021年5月28日，EAST創(chuàng)造了可重復的1.2億攝氏度的高溫，并且持續(xù)了101秒，同時還實現了1.6億攝氏度持續(xù)20秒的運行。2021年12月30日，EAST又實現了7000萬攝氏度高溫下1056秒的長脈沖高參數等離子體運行，打破了自己保持的世界紀錄，標志著中國在可控核聚變研究上處于世界領先水平。

“人造太陽”1.2億攝氏度成功“燃燒”100秒時，內部的紅外影像。（圖源：中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所）

在研制EAST過程中，許多關鍵技術取得突破并達到國際先進水平，同時也填補了多項國內空白：大型超導磁體關鍵制造技術的研發(fā)，成功地生產出了EAST所需的全部超導磁體;創(chuàng)造性地設計、建成了國內最大的大型超導磁體測試實驗系統(tǒng);創(chuàng)新性地設計、建造了我國最大的氦低溫系統(tǒng)……

更重要的是，依托這些科學裝置，中國科研人員還參加了目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一——國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)。這是全球最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆裝置，集成了當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學和技術成果，是人類受控核聚變研究走向實用的關鍵一步。包含中國在內的多個國家參與了這個國家大科學項目，舉多國合力向受控聚變實驗堆邁進。此外，我國還有在建的中國聚變工程實驗堆 (CEFTR)，預計將在2050年建設成為可控核聚變商業(yè)示范堆。

“人造太陽”未來已然可期

2021年5月28日拍攝的的EAST控制大廳。（圖源：新華社）

大科學裝置集高精尖技術于一身，其承載的意義早已不止追求科學目標本身。在“人造太陽”這座大科學裝置的牽引下，衍生出了一系列重要的創(chuàng)新成果，形成了超導技術、低溫技術、等離子體技術、生物技術、材料技術、機器人技術等多個產業(yè)技術板塊，推動一大批高新技術成果實現轉移轉化。

比如，質子和重離子放療是目前國際公認最尖端的放射治療技術，一直被發(fā)達國家所壟斷。等離子體所利用大科學裝置的超導技術，積極研制國內首套具有自主知識產權的醫(yī)用超導質子癌癥治療系統(tǒng)，將大幅降低患者治療費用。

此外，等離子體還能治療皮膚病，有廣譜抗菌、加速凝血、促進細胞增殖、無耐藥性及副作用等優(yōu)點;等離子體所將大科學裝置離子束技術引入生物學科，致力于微生物新菌種的創(chuàng)制、發(fā)酵調控、產物分離分析及終端產品的研究和產業(yè)轉化。

據介紹，中國的核聚變研究與國際基本同步，甚至在聚變某些技術領域確立了領跑地位，在超導、穩(wěn)態(tài)控制、加熱等方面鞏固了中國特色。有國外期刊稱贊“中國創(chuàng)造了聚變歷史”“在這里科學價值得到極大體現”。

回望人類認識核聚變這一路，中國從未落后、從未停滯、不斷超越，已經走到國際研究的最前沿。未來，可控核聚變終將成為現實，到那時，我們將擁有取之不盡、用之不竭、清潔安全的能源。

(資料來源：中國科學院、央視新聞、人民日報、新華日報、科技日報)