在安徽合肥的科学高地,一群中国科学家正在点燃一团足以照亮人类未来的火焰——他们称之为“人造太阳”。
2021年,中国科学院合肥物质科学研究院传来震撼世界的消息:我国自主研制的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST,又称“东方超环”),成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,向核聚变能源应用迈出重要一步。
时隔四年,“人造太阳”的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST),已然创造了新的世界纪录,首次实现1亿摄氏度1066秒的高约束模等离子体运行,从101秒走到1066秒,科学家花了四年,可见这件事有多么困难!
借用中国科学院合肥物质科学研究院副院长宋云涛的话说,这是一个非常重要的里程碑,从此将从前沿的基础研究转向工程实践,向聚变能应用迈进了一大步。“亿度千秒”的难点在于,我们要把这一团火,相当于太阳表面温度的6到7倍,像火球一样的等离子体转速到上千秒,难度是非常难,这应该是目前五十多年的研究中,从物理研究向工程实践迈出的坚实的一步。
因此这绝非一次普通的科技突破,而是人类实现无限能源梦想迈出的坚实一步。
新华社:EAST
何为“人造太阳”?有什么用呢?
我们赖以生存的地球,几乎所有的能量都来自太阳。在太阳核心,有持续不断宇宙级的能量释放过程:核聚变。在太阳内部极端的高温高压环境下,轻原子核(如氢的同位素氘、氚)相互碰撞、融合,生成更重的原子核,并在此过程中释放出巨大的能量。
而中国的“人造太阳”计划,正是要在地球上模拟太阳发光发热,实现可控核聚变。其核心目标就是:通过人工手段,创造上亿摄氏度的极端环境,将燃料加热成等离子体状态,迫使原子核克服排斥力发生聚变,从而释放取之不尽的清洁能量。
这种能源之所以潜力巨大,被誉为“终极能源”,原因有三:它不产生温室气体;几乎没有放射性废料(聚变本身产物是惰性氦气);燃料来源近乎无限(氘可从海水中提取,氚可通过锂再生)。一旦成功实现商业化,将彻底改写人类的能源格局。
新华社:全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)控制大厅
为何要烧到1亿度?有什么办法呢?
太阳核心凭借其巨大的引力,在约1500万摄氏度的条件下下就能维持聚变反应。然而,在地球上,我们无法复制如此强大的引力约束。怎么办?只能靠更高的温度来弥补!
科学家们必须将等离子体加热到远超太阳核心的温度——上亿摄氏度!1.2亿度,这相当于太阳核心温度的近8倍!但这仅仅是挑战的一半。
更难的是:如何将这团狂暴的、足以瞬间熔化任何已知物质的“火球”牢牢束缚住,不让它接触装置内壁?磁约束聚变和惯性约束聚变是实现可控核聚变的两种关键技术路径,其中磁约束托卡马克装置最为主流。
因此EAST给出的答案是:利用强大的环形磁场,编织一个无形的“磁笼”。这团温度高达上亿度的等离子体,就被这精密的磁场悬浮在真空装置的中心,如同在空气中悬浮并驾驭着一条桀骜不驯的“火龙”。
因此,温度和密度以及约束时间三者乘积,即“聚变三乘积”,是实现核聚变点火的关键指标。
中国再次突破:将EAST装置2021年的世界纪录再次刷新, 超过1亿摄氏度能够稳定运行1066秒
这标志着中国在高温等离子体长时间稳定约束这一核心技术上取得了重大突破。在国际上排在第二方阵的,目前是在70秒到100秒,所以这一次能够实现1000秒,标志着我国在高温等离子体、高约束模等离子体、磁约束研究方面走到了世界前列。
来源新华社
可控核聚变,被誉为“人类的终极能源梦想”。其蕴含的能量令人咋舌:1克氘氚聚变燃料反应释放的能量,约等于燃烧300升汽油! 加上其清洁、安全、燃料近乎无限的优势,使其成为各国竞相争夺的战略科技制高点。
而中国凭借EAST的成功和其他能源工程的规划,已实现从实验装置设计、关键部件制造到核心技术攻关的全面自主可控,在全球聚变格局中占据重要位置。这不仅是科学探索,更是一场关乎下一代全球能源主导权的激烈角逐。
中国科学院合肥物质科学研究院副院长宋云涛说:中国有第一座“聚变商业电站”的梦想应该在10到20年突破。
我们不免想象,核聚变能源一旦实现,那时的人类文明又将呈现一番怎样的场景?