中国“人造太阳”实现1亿度运行，这可能是永久解决能源问题的黑科技
文章来源：SELF格致论道讲坛
近日 ， 我国大科学装置“东方超环”取得重大突破 ， 等离子体中心电子温度首次实现1亿摄氏度运行近10秒 。 “东方超环”是我国自主设计研制的磁约束核聚变实验装置 ， 也被称为“人造太阳” ， 因为它的目标就是像太阳一样发生核聚变为人类提供能源 。
与2018年首次实现1亿度温度相比 ， 这次的创举实际上是将1亿度维持了近10秒 ， 是东方超环取得的重大突破 。 如果能较长时间维持1亿度的高温 ， 那人类距离解决核聚变商业化应用真的就不远了 。 “人造太阳”究竟怎么造?听中国工程院院士李建刚讲述34年“追逐太阳”之路 。
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李建刚
中国工程院院士
中科院等离子体物理研究所研究员
人造太阳受控的核聚变装置
大家都知道太阳 ， 但什么是人造太阳?看过钢铁侠的人都知道 ， 钢铁侠里面有一个人造太阳叫托卡马克 ， 像一个磁线圈一样 。 如果把气体加热到上亿度 ， 它就会发生聚变 ， 可以像太阳一样发出巨大的能量 。
如果是现实版的托卡马克的话 ， 中国有两个人造太阳 ， 一个在合肥 ， 另一个在成都 ， 分别叫合肥超环和中国的环流器1号 。
太阳为人类产生了很多光和热 ， 万物生长靠太阳 。 我们想要实现聚变 ， 一个不可控因素就是氢弹 。 氢弹不能轻易地爆炸 ， 要用原子弹去把它点一下 ， 点到上亿度以后才有可能发生爆炸 。
为什么要人造一个太阳?
那么怎样能够实现人造太阳?要把上亿度的温度装到任何容器上都会顷刻之间烟消云灭 。 于是科学家就想了一个办法：把一团火球——上亿度的等离子体 ， 用磁的方法把它悬浮起来 ， 跟周边的任何容器材料不接触 ， 这个时候就可以把它加热、控制 ， 进而造出太阳 。 它的模样就像你们吃的甜圈圈 。
用这些非常复杂的仪器把上亿度的东西放在中间持续地加热 ， 讲讲很容易 ， 但实际操作非常难 。
首先我们需要巨大的磁场 ， 这个磁场要比地球南北级的磁场高两万倍以上 ， 磁场越强越容易收得住 。 人类之所以没有遭到来自太阳风这种粒子的损害 ， 主要就是靠磁场把这种带电粒子无形之间屏蔽起来 。
所以现在要做的就是产生比地球高上万倍的磁场 ， 让这团气体悬浮起来 。 用的燃料是什么?是海水里面氢的同位素——氘和氚 。 海水里面的氘有多少呢?它可以让一千个电站使用上百亿年 ， 也就是说该资源是无限的 。 如果用爱因斯坦的公式计算的话 ， 一杯水里面产生的氘和氚是E=mc2,相当于300公升汽油 。
它的好处在哪里?首先它没有高放的废料 ， 而我们现在用的裂变电站都是化石燃料 ， 尤其是235 ， 238 。 一旦发生事故 ， 就会有长达上百万年的放射性废料 。
聚变的产物是什么?就是能源中子和氦气 。 氦气是非常清洁的 ， 当年习总书记实地参观时就问：为什么说聚变是固有的安全性?那时候距离福岛发生核事故刚刚一个月 。
它导致事故的概率非常小 ， 只有同时碰到地震和海啸才有可能发生 ， 或许上万年才会出现一次 。 但现实中最有可能发生的不是这个 ， 而是恐怖分子——可能恐怖分子开个飞机就把它炸了 ， 但聚变电站不怕 ， 因为它聚变的产物就是氦气 ， 只要一停机就没有了 。
总结一下 ， 作为资源来讲 ， 它是无限的同时又是清洁的 ， 所以长期以来被科学家认为是未来人类终极能源之一 ， 可以大规模生产 。 未来可能有20%的可再生能源 ， 但最大规模的一块 ， 即80%一定是靠聚变来维持的 。
这个太阳怎么造?
一个一百万千瓦的电站 ， 上海一年大约只需要两个 。 聚变电站需要多少东西呢?一年一个电站只需要一百公斤的重水和锂;如果换成煤电站的话,一个一百万千瓦的电站需要50万吨煤;如果是核电站的话就需要30吨 。
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(聚变堆工作原理图片来源于李建刚)
这就是聚变电站的原理 。 首先你要有磁笼子 ， 用它形成一个等离子体 ， 再用非常高的温度把它加热到上亿度 ， 加热到上亿度以后就会产生氦和中子 ， 中子就跑到包层材料里进行加热 。 加热以后 ， 我们通过水把它转换成蒸汽 ， 再通过蒸汽把电给发出去 。 这就是一个简单的聚变发电原理 。
人类在这个方向一共做了50年 ， 进展还是挺大的 。 我们知道 ， 计算机每1.8年CPU的速度翻一倍 ， 而聚变的发展速度基本上能做到跟它一样快 ， 甚至比它快两个月 ， 差不多16～17个月左右的时间 ， 它的综合参数也能够翻一倍 。
聚变最大的问题就是离实现还很遥远 ， 没有像计算机这样家喻户晓 。 但可以说 ， 聚变在过去50年中已经发展得非常非常快了 。 几个代表性的成就是在一些发达国家 ， 像美国、欧洲和日本 ， 他们在一些大装置上都同时实现了可控的核聚变 。
什么叫可控的?就是跟人没有关系 。 科学就是可重复 ， 不管是谁去做都是同样的结果 ， 跟仪器没有关系 。 只要是一样的仪器 ， 美国的人造太阳、欧洲的人造太阳还有日本的人造太阳 ， 结果都是一样地可重复 ， 这就是科学 。
我国做到了输出的能量和输入的能量之比等于1.25 ， 即已经有了净输入 。 这是什么意思?就是说从科学上已经验证了这是可行的 ， 但是工程上可不可行还不知道 。
我们产生的磁笼子是用常规铜线做的 ， 消耗了大量的能量 。 怎么才能不消耗能量呢?如果把温度降下来 ， 一旦电阻等于0的话 ， 消耗的能量顷刻之间就降到0 ， 那么我们就非常容易地拿到了聚变能量 。
说起来容易做起来难 。 我国很多年前就开始做聚变了 。 托卡马克不是中国人的发明 ， 是苏联人的发明 ， 他们概在1989年的时候有意把一套马克装置送给中国 。 当时我们所长说这是一个很好的机会 ， 因为当时我们啥都不会 。 于是就用400万人民币的羽绒、瓷器、中国家具换来了一个1800万卢布的装置 。
当时这个装置还是比较好的 。 为什么?因为在那时候 ， 一个卢布相当于3.6美元 ， 我们花了一年半的时间把它全部拆掉 ， 又花了两年的时间把它装起来 ， 在这上面做了大量的实验 ， 应该说还不错 。 其他国家在这个装置上面都只能做几秒钟高温 ， 而我们最多能做到60秒钟一千万度 ， 因此成为了全国的十大新闻 。
但是这还不行 ， 还不能够做到所有线圈的电阻都等于0 ， 这时候我们就要做超导 。 什么叫超导呢?就是要把上亿度磁笼子的一团火球悬浮在-269℃的圈子里面 。 想想看 ， 等于说有两个极端 ， 一个温度在108K以上——一亿度以上 ， 另一个温度是非常冷的 ， 4K ， 也就是零下269℃ 。 这个是非常难的 。
其次 ， 一旦发生聚变的时候——比如氢弹爆炸 ， 只要它发生爆炸的时候就会有强烈的冲击波 ， 它跟周边材料(就是悬浮起来的也不行)发生强相互作用 ， 所以控制要非常精确 ， 精确到零点几个毫米和零点几个毫秒以下 ， 否则只要一偏心 ， 它就碰到什么烧什么 。
这件事真是难 ， 难于上青天 。 为什么?因为美国人在60年代已经上了天、登了月,但是他们到现在也没有做出一个能够真正发电的人造太阳 。
从能源的需求来讲 ， 中国比任何一个国家都需要能源 。 尽管我们相比来说很穷 ， 但是我国几任国家领导人都觉得这件事中国人一定要做 。 90年代初我们提出这个想法 ， 在全世界率先做一个全超导的托卡马克叫东方超环 ， 能够长时间地做到上亿度 ， 比太阳心部的温度还要高五六倍!
在九五的大工程的国内一百多个提议中 ， 该提议终于胜出 ， 然后我们就开始做这样的装置 。 做这个装置 ， 第一就是要解决上亿度和零下269度的矛盾 。 江泽民同志到我们所里去的时候 ， 他也问了这么一个问题 。
解决上亿度和零下269度 ， 很多技术必须要用在一起 。 首先 ， 真正的上亿度的高温要用磁场把它悬浮起来 ， 就是超导 ， 上面全部是线圈 。 悬浮在中间以后 ， 等离子那里有个火球——蜘蛛侠那个球 ， 温度越高它越要到处跑 。 比如太阳 ， 因为温度高 ， 所以太阳黑子来了 。 跑的过程中一定要想办法控制住 ， 让它一定悬浮在中间 ， 不能够上下跑 。 在不乱跑的情况下 ， 才不会把材料烧坏 。
除此之外 ， 能量的损失靠传导、对流和辐射 。 最小辐射损失就是全部用真空 ， 用五层真空实现了一亿度和零下269度的结合 。
在此之前全世界没有人做过 ， 因此所有的东西都需要我们自己做 。 当时国内的经济不像现在这么好 ， 万元熙院士带领整个团队做了整整十年 ， 突破了很多难点 ， 终于在2006年得到了等离子体 ， 大概几百万度 ， 但是它只有几秒钟时间 。
我们想要实现的目标不只是几百万度几秒钟 ， 我们想做得更长 。 难度在哪里?材料!做聚变 ， 几乎都要用到当今地球上所有材料、技术的极致 。 比如说 ， 其中要采取的材料是一种最硬的合金——钨合金 。 在这个空间里 ， 我们要加上上亿的温度让它悬起来 ， 同时还要防止冲击波 。 只要有冲击波的强放射 ， 就要赶快把它拿走、抽走 。 这里用的大抽速是零下269度的低温棒 。
中国聚变之路
有了装置以后 ， 我们就觉得应该去做一个更大的事情——验证工程的可行性 。
大约在1985年 ， 尽管是冷战的时候 ， 里根和戈尔巴乔夫也谈了一件象征着人类美好前景的事情——在地球上建一个人造太阳 。 这个人造太阳是50万千瓦 ， 跟现在的发电站差不多 。
谈判确定一共有七方参加 ， 欧盟占最大一块45% ， 其他的六方——中国、日本、美国、韩国、印度各占9% ， 共出资100亿欧元 ， 要在法国Cadarache(卡达拉舍)建世界第一个真正意义上的人造太阳 ， 叫国际热核聚变实验堆ITER 。 它要运行20年 ， 即需要能够在大规模的、几十万千瓦的基础上运行很长时间 。 这就是要验证聚变的工程可行性 。 到底规模有没有这么大 ， 这么大的规模以后行不行?这里牵扯到特别多的技术 。 这是中国参加的一个最大的国际合作项目 ， 价钱是100亿欧元 ， 其中中国占9% ， 也是9亿欧元 ， 这是一个很大的数字 。
首先它要形成的磁笼一共有18段 ， 像橘子瓣一样 。 这是什么概念?波音747重量370吨 ， 这一个线圈在360吨左右;价钱也是差不多的 ， 波音747是2.6亿美元 ， 这大概是2.8亿欧元 。
我们国家在参加ITER之前是生产短样的 。 绕这么一个线圈 ， 里面要将近十万米导线 ， 重150吨 。 我们国家在参加这个国际合作之前 ， 四十年之间只产生了36公斤短样 。
ITER使得国内的企业发展得非常好 ， 已经形成了全世界最先进的技术 ， 规模和产量也是最大的 。 西安的有色金属研究院、西部超导公司现在一年可以生产150吨;除此之外 ， 国内的核磁共振、GE的所有线几乎超过一半都是ITER的材料在供应;还有我国航母的歼15的起落架 ， 飞机落地的一刹那冲击力非常大 ， 所以对材料的要求非常之高 ， 用ITER上面的材料终于解决了航母的起落架的问题 。 这是第一个例子 。
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(核导图片来源于李建刚)
第二个例子 。 刚才说的上亿度的东西的第一层屏蔽叫核导 ， 长得像多脚的怪兽一样 。 它有多重?一百年前的埃菲尔铁塔是7300吨 ， 而这个有8000吨 ， 所以这个材料要难得多 。 这是一种特殊的不锈钢 ， 它首先要降到零下269度 ， 同时它要耐强辐射 ， 我们国家在参加ITER之前从来没有生产过 。 参加ITER之后 ， 通过跟国际合作 ， 山西太钢现在可以年产15000吨 ， 得到了很大的发展 。
尽管聚变能离我们还是很遥远 ， 但是通过国际合作 ， 中间产生的过程和技术都能够非常好地用在国民经济上 。
未来中国的聚变到底怎么做?
60年内实现商用
未来中国的聚变到底怎么做?咱们的聚变到底什么时候才能实现?
我们现在正在做实验装置、参加ITER ， 但是希望十年以后能建造中国自己的工程堆 ， 这样才能够验证发电 。 有了这个东西以后 ， 在50年到60年之间就能商用化 。
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这是我们设计的中国工程聚变堆 ， 里面有一个主机装置 。 这个设计象征着大鹏展翅腾飞 ， 象征着人类追求聚变的梦想 ， 象征中华民族腾飞的梦想 。
经过二三十年的努力 ， 真正的人造太阳会冉冉升起 ， 对中国来讲 ， 聚变的需求比任何一个国家都急迫 。
1982年我到了合肥的一座非常偏僻的岛上——董铺岛 ， 一做就是34年 。 非常有幸 ， 作为一个中国的科学家 ， 每一任领导都到过现场 ， 这给了我们很高的鼓励 ， 也包括俄罗斯的总理 ， 他们都说过同样一句话——中国需要能源 ， 中国一定要在人类实现这种聚变的路上起到不可取代的作用 。
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50年前 ， 人类就有个梦想——希望实现人造太阳 。 上大学的时候 ， 我也有这个梦想 。 我希望在有生之年能够做出人造太阳 ， 让没有被文明照亮的地方被聚变能点亮 。
【中国“人造太阳”实现1亿度运行，这可能是永久解决能源问题的黑科技】作为一个中国人 ， 我希望第一个聚变电站是最好的 ， 而且必须要建在中国 。
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