中国人造太阳创造新纪录！我们通过漫画了解下它 | 墨子沙龙

■ 文案

徐枫 白泽

■ 绘制

牛猫小分队

■ 审核

任海骏 王亮

■ 导读

4月12日21时，有“人造太阳”之称的中国全超导托卡马克核聚变实验装置EAST创造新纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。

那么，什么是“人造太阳”？为什么要研究“人造太阳”？如何实现可控核聚变？……通过漫画来了解下吧！

进一步了解中国人造太阳的故事，推荐观看合肥国家科学中心能源研究院李建刚院士在墨子沙龙的演讲“托起明天的太阳”（我种了40年“太阳”，为了点亮那盏灯 | 墨子沙‍龙）。

自从人类学会了使用火，能源的发展和人类文明进步就紧密联系在一起了。

从工业革命到现在，人类对能源的需求越来越大。人类主要消耗的化石能源（石油、天然气、煤炭等）是存储了过去亿万年光合作用产生的能量。然而，按照人类现在的使用速度，化石能源的开采最多只能再持续两三百年，而且化石能源的使用还容易对地球环境造成巨大的破坏。

根据国家统计局的公开信息，2022年我国工业发电量8.4万亿千瓦时，其中火力发电约占7成，水电、核电、风电和太阳能发电等清洁能源约占3成。

我们国家的能源结构还是以煤炭为主，环保能源的开发仍有很大空间。

面对严峻的能源和环境危机，人类的应对方针是：

开源、节流

一方面，开发新型能源，积极利用再生能源，如风能、太阳能、水能、地热、潮汐能、生物能等。

另一方面，提高能源使用效率，研究新材料新工艺， 最大限度实现节能。

在能源的开发利用上，提高能源转化率至关重要，科学家们不断进行探索。

“节流”功能毕竟有限，想要“环保”、“开源”，科学家绞尽脑汁。其实，答案远在天边，近在眼前。

“万物生长靠太阳”，这是人类早已知晓的真理。太阳为什么能量巨大？因为它是一个巨大的等离子体，在它的内部持续进行着核聚变反应，每秒转化的能量就相当于200亿颗千万吨级别的氢弹同时爆炸。

如果我们能利用核聚变释放的能量发电，1克的质量亏损转换成能量相当于2500万度电，可以让功率1000瓦的电器运转2500万小时。

不仅产生的能量巨大，可控核聚变还有其他几个优点：

*原料丰富

*产物清洁

*相对安全

听起来是不是很棒棒？

不过，理想很丰满，现实很骨感。目前人类只能实现氢弹这种不可控的核聚变反应，想要实现可控核聚变，有两大困难摆在科学家们的面前。

第一，核聚变反应的“容器”

第二，核聚变反应的条件，高温高压：要使核聚变能持续进行，需要超过1亿度（~10keV）的高温。

我们先来看看“容器”的问题。

20世纪60年代，前苏联研究机构设计了一个叫做托卡马克（Tokamak）的实现可控核聚变的实验装置。Tokamak来自俄语缩写，字面意思就是，“环形真空磁线圈”。

说到“磁线圈”，你有没有感到中学物理的回忆在攻击你？现在，让我们来回忆一下“左手定则”~~

带电粒子在垂直于磁力线的方向围绕磁力线做回旋运动，在沿着磁力线的方向自由运动。 

如果带电粒子既有垂直于磁力线的分速度，又有平行磁力线方向的分速度，它就会绕着磁力线做螺旋运动。

在托卡马克的真空腔内，磁力线形成封闭的环形，带电粒子就转着小圈沿着封闭的环形运动。带电粒子像被卷在磁力线上了，这就是“磁约束”。正如引力束缚保持住太阳的形状，“磁约束”是科学家控制住“人造太阳”的法宝。

不过，要束缚住高温的带电粒子，普通导体线圈产生的磁场还不够优秀，科学家想到了超导材料，它能更好地保障稳态运行。

2006年，中国在安徽省合肥市科学岛上建造了全球第一座全超导托卡马克——“东方超环”（EAST，英文全称Experimental Advanced Superconducting Tokamak）。

线圈中超导材料浸泡在液氦中，液氦温度大约在-269℃，这时候超导材料的电阻完全消失，从而得到超强磁场。

实际上托卡马克的磁场更复杂些，除了环形磁场线圈，还有极向磁场线圈和中心磁线管，这样就交织成一个严严实实的“磁笼子”，参与聚变反应的高温等离子体就被关起来，逃不出去了。

容器的问题暂时解决了，现在来讨论高温的问题。

参与聚变的等离子体材料悬浮在托卡马克的空腔中，要达到聚变的条件，等离子体的温度要达到上亿度，比太阳核心的温度还要高。如何把材料加热到这么高的温度呢？

科学家前期利用等离子体本身的电阻效应加热（欧姆效应），但是等离子体电阻随温度上升迅速降低，单纯依靠电阻效应升温有天花板。

要继续升温，还会用到射频波加热和中性束粒子加热。波加热原理和微波炉类似，通过注入相应频率的电磁波，等离子体中吸收共振实现加热；中性束粒子加热是通过加速器产生高能粒子流，注入等离子体中，通过碰撞等过程把能量传递给等离子体，实现加热。

达到聚变需要的高温后，如何把高温等离子体约束更长的时间也是科学家要攻克的难题。

随着时间的推移，有一些高温的粒子从“磁笼”中逃出来，撞到壁上，使器壁受损并产生杂质。更大的麻烦是聚变产生的中子，中子不带电，磁约束对它无效，中子辐照对器壁的损伤非常大。所以，改进器壁材料，减少杂质，是科学家需要着重攻关的课题。运行时间一长，还要及时排出累积的热和粒子。

要顾及的方方面面很多，约束、加热、辐射、排灰……对精确控制的要求很高。悬浮的高温聚变等离子体一旦偏心，碰啥烧啥。

2021年12月30日，中国“人造太阳”EAST实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行，不要小看这十几分钟，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

2006年，中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国共同签署了国际热核聚变实验堆（ITER）计划。目的是建造世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，计划以50MW（MW即兆瓦）的能量的输入，产生500MW的能量（核聚变释放的能量要大于辅助加热的能量）。托卡马克装置的负责人李建刚院士也曾是ITER的理事之一。

我们期待着有一天，人造太阳能够解决我们的能源问题，到那个时候，世界每一个角落，都会变得温暖又明亮！

[1] 氘-氚反应是最容易实现核聚变的方式，但是燃料氚T在自然界不存在，需要通过其他方式得到，价格昂贵（100万美元1克）；氘-氦反应条件仅次于氘氚，氦3在地球上储量有限，也很贵（几万美元1克）；氘-氘聚变最大的优点是原料丰富，缺点是反应条件比氘-氚高两个数量级。

本文2023年4月13日发表于微信公众号 墨子沙龙（中国人造太阳创造新纪录！我们通过漫画了解下它），风云之声获授权转载。

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