合肥人造太陽(yáng)創(chuàng)紀(jì)錄，1.2億攝氏度運(yùn)行101秒！商用核聚變有多遠(yuǎn)？

隨著能源需求的飆升和環(huán)境污染問(wèn)題的加劇，人類對(duì)于清潔能源的追求愈發(fā)迫切，而核聚變能將自然界可再生資源轉(zhuǎn)化成巨大能量，受到了全球科學(xué)家的關(guān)注。中國(guó)合肥的人造太陽(yáng)屢次刷新記錄，這項(xiàng)技術(shù)似乎正處于飛速發(fā)展中，商用核聚變還有多遠(yuǎn)呢？

人造太陽(yáng)的原理與技術(shù)

核聚變反應(yīng)是在高溫、高壓的環(huán)境下將輕元素如氘、氚等原子核聚合成較重的原子核，這一過(guò)程會(huì)伴隨著能量的大量釋放。太陽(yáng)就是一個(gè)宇宙中自然存在的核聚變反應(yīng)堆，通過(guò)核聚變產(chǎn)生的熱量支撐地球上的生命活動(dòng)。

現(xiàn)有的人造太陽(yáng)就是試圖通過(guò)機(jī)器模擬太陽(yáng)的核聚變，以實(shí)現(xiàn)在地球上產(chǎn)生巨大能量的技術(shù)。核聚變主要是使用氘和氚，這些元素在地球上儲(chǔ)量很大，且核聚變產(chǎn)生的能量密度高、環(huán)境影響小，被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的能源危機(jī)的理想選擇。

然而實(shí)現(xiàn)核聚變需要解決一系列技術(shù)難題，如高溫高壓條件下的等離子體約束、核聚變產(chǎn)物的處理等。目前，磁場(chǎng)約束技術(shù)是實(shí)現(xiàn)核聚變這一過(guò)程的主要途徑，其中托卡馬克就是一種典型的人造太陽(yáng)。

通過(guò)創(chuàng)建高強(qiáng)度的磁場(chǎng)和超高溫度的環(huán)境，將等離子體限制在托卡馬克裝置內(nèi)，然后通過(guò)高功率加熱裝置不斷加熱等離子體，等到溫度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)后，產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。如今全球多個(gè)國(guó)家正在研發(fā)托卡馬克裝置，以期實(shí)現(xiàn)核聚變的商業(yè)應(yīng)用。

合肥人造太陽(yáng)裝置的突破與成就

合肥人造太陽(yáng)是我國(guó)自主研發(fā)的全超導(dǎo)托卡馬克裝置，作為中國(guó)在核聚變領(lǐng)域的重要實(shí)驗(yàn)設(shè)施，自2003年啟動(dòng)研發(fā)以來(lái)，就一直處于世界先進(jìn)水平。在全球同類實(shí)驗(yàn)設(shè)施中，這一裝置的建造技術(shù)和成果產(chǎn)出均處于領(lǐng)先地位。

該裝置的總重量達(dá)到400多噸，直徑約8米，由16個(gè)超導(dǎo)縱場(chǎng)磁體和12個(gè)極向場(chǎng)超導(dǎo)磁體組成，其磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通量、等離子電流等技術(shù)指標(biāo)均令世界為之驚嘆。有這些關(guān)鍵參數(shù)的加持，裝置在形成的溫度和高溫能持續(xù)的時(shí)間兩方面均表現(xiàn)出極高的性能。

合肥的人造太陽(yáng)以磁場(chǎng)約束和真空絕緣的方式，將高溫等離子體管控在一個(gè)環(huán)形容器內(nèi)，這一技術(shù)使得裝置在溫度和持續(xù)時(shí)間兩個(gè)方面屢次刷新紀(jì)錄。2016年2月，就實(shí)現(xiàn)了等離子體5000萬(wàn)攝氏度下持續(xù)進(jìn)行等離子體放電102秒的記錄。

為了進(jìn)一步提升裝置性能，中國(guó)科學(xué)家對(duì)內(nèi)壁使用的材料、控制設(shè)施和加熱裝置等進(jìn)行升級(jí)改造。2021年實(shí)現(xiàn)1.2億攝氏度下運(yùn)行保持101秒，僅僅兩年后，又成功實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)403秒的穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體操作，為全球核聚變技術(shù)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

商用核聚變的挑戰(zhàn)

核聚變需要的元素資源豐富、制備過(guò)程不產(chǎn)生有害氣體，是負(fù)面影響極小的環(huán)保能源。然而要將核聚變從實(shí)驗(yàn)室推向商用領(lǐng)域，仍面臨著許多挑戰(zhàn)。從成本上來(lái)說(shuō)，如何高效率低損耗地從海水中提取足量的氘和氚作為燃料，就是一個(gè)亟待解決的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)難題。

其次是人造太陽(yáng)的制造尺寸問(wèn)題。目前的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置體積龐大，這使得裝置的建設(shè)和維護(hù)成本極高。為了實(shí)現(xiàn)核聚變的商業(yè)化應(yīng)用，必須發(fā)展出更加緊湊、高效的核聚變裝置，這需要在材料科學(xué)、磁場(chǎng)控制技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域取得重大突破。

目前的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置都是在磁場(chǎng)約束下進(jìn)行的，這意味著需要強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)防止等離子體與容器壁之間的氣態(tài)物質(zhì)相互作用，以維持核聚變反應(yīng)的正常進(jìn)行，這對(duì)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。

此外，強(qiáng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生和維持需要消耗大量能量，現(xiàn)在人造太陽(yáng)產(chǎn)生的能量密度相對(duì)較低，導(dǎo)致設(shè)備消耗的能量大于產(chǎn)生的能量。要推廣核聚變的應(yīng)用，必須大幅提高核聚變反應(yīng)的能量密度，最終實(shí)現(xiàn)能量的凈增長(zhǎng)。

再者，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的內(nèi)壁產(chǎn)生輻照損傷，這會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)裝置的內(nèi)壁材料逐漸老化，從而影響實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行壽命。因此，設(shè)計(jì)并選擇具有較高抗輻射性能的材料，以保證核聚變裝置的安全和可靠運(yùn)行，也是不可忽視的環(huán)節(jié)之一。

除了實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的技術(shù)挑戰(zhàn)，人造太陽(yáng)想要投入市場(chǎng)還需要降低生產(chǎn)過(guò)程中廢料對(duì)環(huán)境和生態(tài)的影響。盡管核聚變的廢料相對(duì)于核裂變的廢料輻射性較低，但仍然需要妥善對(duì)待，有效地回收、處理和存儲(chǔ)這些核廢料是實(shí)際應(yīng)用中的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

商用核聚變面臨著諸多挑戰(zhàn)，但這并不意味著應(yīng)該放棄對(duì)這一理想能源的追求。合肥人造太陽(yáng)已經(jīng)展示出了強(qiáng)大的潛力，一旦加大科研投入，推動(dòng)核聚變技術(shù)取得更多突破，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人造太陽(yáng)就有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)核聚變?cè)谀茉搭I(lǐng)域的重大變革。