這是網(wǎng)絡(luò)上?？吹骄W(wǎng)友們疑惑不解的問題，今天我們就一起來解開這個謎底。

首先要說明的是，所謂“人造太陽”不是有些人拍腦袋想象的，造出一個會發(fā)亮的小太陽，而是利用核聚變方式獲得的能源，可用于發(fā)電或者作為各種動力使用。我這樣說，大家就應(yīng)該明白所謂“人造小太陽”對人類有什么用了吧？

說穿了，“人造小太陽”就是一個核聚變反應(yīng)堆。

反應(yīng)堆是指能讓核反應(yīng)在其內(nèi)部進(jìn)行的裝置，是指包括建筑在內(nèi)的一整套設(shè)備系統(tǒng)。為什么核聚變反應(yīng)堆被稱為“人造小太陽”呢？這是因為這種核聚變的原理模仿的就是太陽。

所有的恒星，包括太陽，在其核心區(qū)域都源源不斷地發(fā)生著氫核聚變，產(chǎn)生出巨大的能量，讓恒星成為一個巨大的發(fā)光發(fā)熱的等離氣球，并以電磁輻射方式向?qū)⒛芰吭丛床粩嗟尼尫诺教铡５厍蚰軌蚍值教栞椛淠芰康?2億分之1，才養(yǎng)育了億萬生命，并讓人感受到風(fēng)和日麗。

人類模仿太陽核聚變方式，在地球上建造核聚變的反應(yīng)裝置，并不斷的進(jìn)行試驗，這種項目或工程，俗稱就叫“人造小太陽”。

合肥的“人造小太陽”就是這樣一個研究基地。這個基地成立于1978年9月，前身叫“合肥受控?zé)岷朔磻?yīng)研究實驗站”，后來改為“中國科學(xué)院等離子體物理研究所”，簡稱“等離子所”，英文縮寫為ASIPP?，F(xiàn)在，這個研究所進(jìn)行的受控核聚變研究已經(jīng)走在了世界前列。

人造受控核聚變與太陽核聚變的區(qū)別

核聚變是人類目前掌握的最大質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)，但目前人類掌握能夠成熟掌握的核聚變方式還是不可控的，這就是氫彈爆炸。這種核聚變方式“轟”的一下就沒有了，是能量瞬間的釋放，除了用于威懾和戰(zhàn)爭，幾乎無法用于造福人類社會。

受控核聚變就是讓這種聚核變能量有一個緩慢釋放過程，這樣就可以作為發(fā)電的能源，或者作為優(yōu)質(zhì)能源，用于地面交通、航空、航天等方面。說起來，太陽核聚變也是受控的，才能夠緩慢燃燒100億年。這是因為太陽核聚變受到重力約束，就是太陽巨大質(zhì)量的引力向心壓力，抵御著核聚變的巨大輻射壓，兩種壓力形成一個平衡，就讓太陽平穩(wěn)的燃燒了46億年，還可以再燒54~64億年。

這個重力約束形成了3000億個大氣壓，讓核心產(chǎn)生了1500萬度的高溫，太陽的核聚變就是在這種條件下持續(xù)不斷進(jìn)行的。地球上人類是無法制造出那么高壓力的，因此要實現(xiàn)受控核聚變，只能在溫度提升上想辦法。通過科學(xué)實驗和研究，在地球條件下實現(xiàn)受控核聚變，至少需要上億℃的溫度。

氫核聚變，就是氫的同位素氕、氘、氚的原子核聚合成氦的聚合過程。要實現(xiàn)這種聚變，就必須具有剝離氫原子外圍電子的條件，讓隱藏在原子中心的核裸露出來，核與核之間發(fā)生碰撞和融合，氫核就會聚變成氦核，同時損失約0.7%的質(zhì)量，這些質(zhì)量就轉(zhuǎn)化為能量釋放出來。

一般來說，只要10萬度高溫，就可以剝離原子外圍的電子。但剝離了原子的外圍電子，并不等于就會發(fā)生核聚變，這是因為原子核都帶有正電，同性相斥，原子核之間就存在所謂的庫侖力，也就是核與核之間的斥力，讓它們不接觸融合。

要讓它們?nèi)诤?，在無法加大壓力的情況下就需要再提升溫度。因為根據(jù)熱力學(xué)定律，溫度越高，粒子振動的程度就越劇烈，達(dá)到1億℃，這些粒子的布朗運(yùn)動就會達(dá)到一個瘋狂水平，這樣它們就不可避免在劇烈的碰撞中，無可奈何地融合起來。

受控核聚變的難點

受控核聚變需要攻克的主要難點有兩點：1、如何約束受控核聚變所需的極高溫度，換句話說就是用什么容器能夠盛裝這么高的等離子體，讓它們不要到處亂跑，惹是生非；2、如何能夠讓輸出的能量大于輸入的能量，而且比例越高越好。

先說說第一個難點

地球上所有的物質(zhì)，能耐受溫度最高的合金是鉿，熔點可達(dá)4400℃；單金屬是鎢，熔點為3410℃；非金屬是碳，熔點為3850℃。何謂熔點？就是溫度到了這么高，就融化為液態(tài)了，再高就氣化了。

地球物質(zhì)的耐受溫度還不到1萬度，而核聚變溫度需要1萬個1萬度呢，差遠(yuǎn)了。那么用什么容器才能夠“盛裝”核聚變1億度高溫的等離子體呢？物質(zhì)的不行，只能尋找非物質(zhì)的。根據(jù)等離子體的帶電性質(zhì)，科學(xué)家們找到了磁約束辦法。

所謂磁約束，就是通過建立一個真空磁阱，讓高溫等離子體約束在這個磁力陷阱中燃燒。磁力陷阱可以讓高溫等離子體與設(shè)備隔絕，不發(fā)生任何接觸，這樣，等離子體就無法融化或氣化設(shè)備了。

這種設(shè)備的通用名字叫托卡馬克裝置，最早由前蘇聯(lián)發(fā)明，是世界上目前最通用的受控和核聚變實驗裝置。世界上還有許多國家在進(jìn)行慣性約束實驗，這也是一種實現(xiàn)受控核聚變的方法，有不同的用途，今天就不展開來說。

第二個難點

有了盛裝核聚變等離子體的容器，就可以開始實驗了。首先要制造出能夠盛裝核聚變等離子體的磁力陷阱，然后要設(shè)法讓束縛在磁阱中的核燃料溫度達(dá)到1億度，這些都需要巨大能量。這些需要的能量我們把它叫做輸入能量，而核聚變能夠產(chǎn)生輸送到裝置外面的能量，我們把它叫做輸出能量。

常識告訴我們，只有在核聚變輸出的能量大于輸入的能量時，這個核聚變才有造福人類的意義，否則就是得不償失。

科學(xué)家們把這種輸入與輸出比稱為能量增殖因子，簡稱Q值。Q值越大，說明輸出的能量越多，效益才越好。經(jīng)過測算，反應(yīng)堆裝置的巨大建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)營費(fèi)用，加上輸入的能量，一般Q值要大于10，也就是輸出能量是輸入能量的10倍以上，才能夠?qū)崿F(xiàn)效益。

說起來容易，做起來卻很難。前蘇聯(lián)在1954年建造出第一個托卡馬克裝置后，足足用了16年時間，做了無數(shù)次實驗，都沒能得到一點能量。

一直到1970年，蘇聯(lián)的科學(xué)家們才從改進(jìn)了多次的托卡馬克裝置上，第一次獲得了能量輸出，而且這個輸出極小極小，Q值只有10億分之1。雖然只是得到這么一點需要極其精密儀器才能夠檢測出來的能量，但對于全球科學(xué)家來說，這已經(jīng)是一個重大突破，至少說明了托卡馬克裝置是能夠制造輸出能量的，這個結(jié)果讓全世界科學(xué)家看到了受控核聚變的希望和前景。

世界受控核聚變發(fā)展趨勢

1970年，前蘇聯(lián)科學(xué)家在托卡馬克裝置里制造出了能量，給全世界的受控核聚變研究注射了一針強(qiáng)心劑，各國都從瞌睡中醒來，一窩蜂紛紛建設(shè)起了自己大型的托卡馬克裝置。這些裝置主要有歐洲的聯(lián)合環(huán)-JET，蘇聯(lián)的T20（后縮水為T15，但加了超導(dǎo)），日本的JT-60和美國的TFTR等等。

隨著實驗的進(jìn)展，Q值的記錄不斷被刷新。1991年歐洲聯(lián)合環(huán)受控核聚變反應(yīng)，Q值達(dá)到了0.12；1993年，美國的TFTR實驗Q值達(dá)到0.28；1997年9月歐洲聯(lián)合環(huán)Q值達(dá)到了0.6，后又提升到0.65，三個月后，日本的JT-60實驗，Q值實現(xiàn)了1，隨后又實現(xiàn)了1.25。

Q值突破1，說明已經(jīng)實現(xiàn)了輸出大于輸入，這又是一個重大進(jìn)步。

世界許多國家正在聯(lián)合建造一個最大受控核聚變裝置，這個裝置雖然主要還是采取托卡馬克裝置的原理，但不再是通常意義上的托卡馬克實驗裝置了，而是一個真正意義上的國際熱核實驗反應(yīng)堆，簡稱ITER。這個國際合作項目于2006年啟動，有包括中國在內(nèi)，美國、俄羅斯、英國、瑞士、印度、日本、韓國、歐盟等27個國家加盟。

ITER由100多萬個部件組成，其中強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體就有4層樓高，每層重達(dá)360噸?，F(xiàn)在這個項目的建設(shè)現(xiàn)場有2300人在忙碌，預(yù)計在2021年完成設(shè)備安裝，2025年開始進(jìn)行等離子體實驗，2035年進(jìn)行氚聚變實驗，目標(biāo)是產(chǎn)生500兆瓦的熱能或者200兆瓦的持續(xù)電能，項目總投資200億歐元。

該項目實現(xiàn)的Q值目標(biāo)要求＞10，也就是輸出能量達(dá)到輸入能量的10倍以上。

中國受控核聚變的進(jìn)展

中國在托卡馬克受控核聚變開發(fā)上，起步較晚，第一套托卡馬克裝置在1974年才建成，但通過這些年努力，實現(xiàn)了彎道超車，走在了世界前列。

1974年以后，中國先后建成的常規(guī)磁體托卡馬克裝置有HT-6B、HT-6M，后來又建設(shè)了圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置“合肥超環(huán)”（HT-7），還建成了世界上第一個非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置“東方超環(huán)”（EAST），在核聚變物理實驗中取得了許多國際領(lǐng)先的成果。

2017年7月3日，位于合肥的等離子所傳來喜訊，科技人員們在EAST中實現(xiàn)了1.2億度穩(wěn)定長脈沖高約束等離子體運(yùn)行101.2秒，后來還實現(xiàn)了1.6億度20秒。這是迄今世界上時間最長，也是是世界上首次實現(xiàn)百秒級穩(wěn)定高約束的托卡馬克裝置。

近幾年，中國還在成都建造了中國環(huán)流器二號M（HL-2M ），這是中國自主研發(fā)的一個新的熱核實驗反應(yīng)堆。相比現(xiàn)有的托卡馬克裝置，HL-2M裝置采用了更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，相比EAST，這套裝置體積更小，但等離子體腔的體積是原有裝置的2倍，反應(yīng)溫度可達(dá)1.5億度。這個裝置于2020年12月4日建成，并實現(xiàn)了首次放電。

中國科技精英們沒有止步于這些成就，也沒有滿足于參與世界最大的熱核反應(yīng)堆項目，而是在打造一個更加雄心勃勃的項目：中國聚變工程實驗堆，簡稱CFETR。這個項目的實施計劃是，2021年開始建設(shè)，2035年建成，并開始大規(guī)模實驗，2050年完成實驗。

這個項目要實現(xiàn)的目標(biāo)是，首期實現(xiàn)200兆瓦的輸出功率，然后通過改進(jìn)在同一套設(shè)備上逐步達(dá)到1000兆瓦的輸出功率，實現(xiàn)Q值大于25。這是一個示范項目和樣板工程，對未來中國參與國際受控核聚變研究以及將受控核聚變推向社會化應(yīng)用，具有重要的引領(lǐng)和借鑒意義。

人類為啥花這么大力氣開發(fā)受控核聚變？

原因主要基于兩點：第一，人類目前正面臨能源危機(jī)，必須尋求新的更好更有潛力的能源，才能讓人類文明不斷前行，而核聚變?nèi)剂系厍騼α亢芏?，可以說取之不盡用之不竭；第二，核聚變能源生產(chǎn)過程完全沒有污染，有利于修復(fù)和保護(hù)已經(jīng)被人類損害的自然環(huán)境。

先說說核聚變原料的儲量

受控核聚變采用的主要原料就是氫的同位素氘和氚，這種原料在海水里存量很大，每升海水可以提取出0.03毫克的氘，這些氘通過核聚變可以產(chǎn)生相當(dāng)300升汽油的能量。全球的海水總量為135億億立方米，每個立方米相當(dāng)汽油300噸，海水中儲存的氘就相當(dāng)于汽油40500億億噸。

而且海水還可以提煉出氚，月球上還有大量的氦-3，這些都是核聚變的優(yōu)質(zhì)燃料。月球上的氦-3就可以供應(yīng)人類使用1萬年。

人類現(xiàn)在每年使用燃料相當(dāng)50億噸石油，那么按現(xiàn)在需求，海水中儲存的核聚變?nèi)剂峡梢宰屓祟愂褂?10億年。當(dāng)然未來的人類能源需求量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)在，這個我們今天不討論，也不展開說。這里主要要說明的是，如果實現(xiàn)了受控核聚變，人類至少相當(dāng)一段時期沒有了能源危機(jī)的困擾。

核聚變還有一個特點就是不會產(chǎn)生任何污染。

這一點，比人類已經(jīng)熟練應(yīng)用的核裂變能源就強(qiáng)多了。核裂變?nèi)剂蟽α啃?，加工難度大，且具有強(qiáng)烈放射性等許多嚴(yán)重污染，世界上已經(jīng)發(fā)生過多次污染事故，給人類帶來災(zāi)難。前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站爆炸導(dǎo)致核泄漏，受害者達(dá)到800多萬人，直接死亡人數(shù)近10萬人，還有27萬人患上癌癥。

而氫核聚變不會產(chǎn)生任何污染，是非常清潔高效的能源。而且相對核裂變，還具有不可比擬的安全性。核裂變是重原子核不斷分裂的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程，需要嚴(yán)格控制其反應(yīng)的速率，稍有差池就會失控，導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故。

切爾諾貝利核電站爆炸就是由于操作失誤導(dǎo)致核反應(yīng)失控發(fā)生的。

而核聚變的持續(xù)條件要求很高，對條件變化很敏感，只要稍有變化，反應(yīng)就會終止。這給實現(xiàn)核聚變自持反應(yīng)增加了難度，從另一個方面也增加了安全性。因此，核聚變過程中，如果設(shè)備稍有故障，反應(yīng)就會終止，停電斷電也會停止核聚變反應(yīng)。這樣，核聚變很難導(dǎo)致安全危害事故。

受控核聚變既然有這么多這么巨大的好處，各國當(dāng)然趨之若鶩了，就是再難，付出再大的代價，也要把它開發(fā)出來。這就是人類一直堅持不懈地開發(fā)了幾十年，雖然很艱難，但從不放棄的原因。從目前的進(jìn)展趨勢來看，受控核聚變很可能還要奮斗幾十年，才有可能推上民用，讓我們滿懷信心地期待。

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