揭秘在1亿度高温下运行的“人造太阳”黑科技！

电子工程世界 2020-05-10 00:00

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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。

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。

（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。

（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？

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。