我們在描繪未來美好生活場景的時候，總會說一句“物質極大豐富”。什么叫物質極大豐富?歸于一點便是能源可以無限供應，并且安全、清潔、高效。
在《三體》描述的未來世界里，人類艱難突破智子的封鎖，造出了可控核聚變裝置——反應爐中燃起的“微型太陽”只消耗很少的燃料，就能釋放出巨大的熱量來發電，這種裝置被稱為 “人造太陽”。
那么，科幻小說設定中的“無限能源”到底是什么?將怎樣改變人類使用能源的方式呢?今天，我們來一起聊聊“人造太陽”的那些事。
什么是“人造太陽”?
“人造太陽”一般指國際熱核聚變實驗堆計劃，以其安全、清潔、高效、可持續等優點成為滿足未來國家重大戰略需求和實現雙碳目標的重要技術方案。但要實現這一核聚變，通常要求溫度達到 億度量級。
簡言之就是在地球上造一個裝置，模擬太陽發光發熱釋放能量，從而解決人類所面臨的能源問題。
圖源：科技日報
我們為什么要造個“人造太陽”?
或許你可能會發出這樣的疑問：已經有一個太陽了，為什么還非得要再造個太陽呢?為什么又說核聚變技術對人類至關重要?要說清這個問題，需要從能源說起。
我們都知道“萬物生長靠太陽”，地球上埋藏的煤炭、石油等化石能源實質上也是遠古生物儲存的太陽能，水能、風能、生物質能等可再生能源同樣是通過太陽能轉化而來，而太陽的能量正是來源于核聚變。
簡單說，核聚變就是兩個輕原子在高溫高壓的環境下相撞，聚合成一個重原子，在反應過程中會產生質量損失。根據愛因斯坦標志性的質能方程，能量等于質量乘以光速的平方，由于光速值巨大，即使較小的質量損失也會轉化為巨大的能量爆發出來。
一名技術人員在美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室 圖源：央視新聞
實現“人造太陽”有什么意義?
如果可以駕馭核聚變的能量，人類文明有望進入一個全新的發展階段。當前，人類已經掌握了可控核裂變技術，已經廣泛應用的核能發電就是利用的這一技術。跟裂變相比，核聚變擁有更多優勢：作為核聚變原料，氘在地球上的含量相當豐富， 易于提取。同時，可控核聚變能在自然條件下穩定反應，簡單可控，具備本質安全。核聚變反應過程中幾乎 不產生輻射，核廢料也幾乎沒有放射性，不存在核泄漏的風險。
核聚變工作原理 圖源：BBC
更重要的是，核聚變釋放的能量是核裂變的數倍。理論上，只需要幾克氘和氚的混合反應物，就有可能產生上萬億焦耳的能量，這相當于一個普通人一生所需的能量。
如果我們可以模擬這個反應過程，實現“人造太陽”，便可一勞永逸解決能源問題。
世界多國都在“造太陽”
20世紀中葉，蘇聯科學家研制出了一種利用磁約束來實現可控核聚變的環形容器。這種名為托卡馬克的裝置，為可控核聚變技術的突破打開了一扇大門。
高能粒子流經托卡馬克形成甜甜圈形狀 圖源：微信公眾號 甲子光年
“造太陽”，托卡馬克裝置被寄予厚望，是世界各國都在研發探索的方向。上世紀90年代，美歐日先后建成3個大的托卡馬克裝置，均實現在 三五秒鐘的時間內維持核聚變反應，且可重復。這意味著，科學上的可行性在實驗中得到了驗證，而中國在這方面也逐漸實現了“彎道超車”。
從上世紀50年代，中國開啟核聚變研究，到1984年中國環流器一號(HL-1)的建成，為中國自主設計、建造、運行“人造太陽”培養了大批人才，積累了豐富經驗。再到1994年，更名為“ht-7”的大科學裝置成功研制，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。
現如今，中國已有多座成功運行的國產托卡馬克裝置。
其中，中國設計的東方超環EAST，是世界首個全超導托卡馬克裝置，坐落于中國科學院合肥等離子體物理研究所。2021年12月，EAST實現1056秒的長脈沖高參數等離子體運行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。
新一代“人造太陽”(HL-2M)裝置 圖源：中核集團核工業西南物理研究院/科技日報
今年10月，中國新一代“人造太陽”托卡馬克裝置(HL-2M)等離子體電流突破100萬安培(1兆安)，創造了中國可控核聚變裝置運行新紀錄。
新一代“人造太陽”的發展與前景
近期，中核集團核工業西南物理研究院傳出消息，全球最大的“人造太陽”，國際熱核聚變實驗堆(ITER)增強熱負荷第一壁完成首件制造，并且具備了批量制造條件。這次最新突破的關鍵部件“第一壁”，實際上是“人造太陽”的“防火墻”，可以直接面對燃燒的上億攝氏度等離子體。這是中國在可控核聚變領域的巨大突破，標志著中國全面突破“ITER增強熱負荷第一壁”關鍵技術。
國際熱核聚變實驗堆(ITER)施工現場 圖源：中國國際核聚變能源計劃執行中心/科技日報
探索開發聚變能源的國際熱核聚變實驗堆(ITER)，由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國7方共同參與建造，被譽為全世界最大的“人造太陽”。目前，ITER正在法國南部按計劃推進，預計2025年完成。
從更長遠的周期來看，可控核聚變是人類可持續發展的戰略儲備技術。一旦獲得突破，人類將擁有廉價、安全、清潔的能源，地球環境得到極大改善，經濟建設和工業生產效率大幅提升，甚至星際旅行成為可能。
無論如何，人類追逐“終極能源”的腳步越來越快。蘇聯物理學家、托卡馬克之父列夫·阿齊莫維奇(Lev Artsimovich)說過一句名言：“當整個社會都需要的時候，聚變就會實現。”
這一天，或許不再遙遠。
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