合肥“人造太陽”，7000萬℃運行17.6分鐘，在世界內(nèi)是何水平？

9tx22v工人 2022-02-16

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從石油資源到核能

第二次工業(yè)革命以后，石油代替煤炭成為了當(dāng)今社會最重要的能源。

我們穿的衣物、用的塑料制品、農(nóng)業(yè)中的化肥、汽車燃料等各種資源都是來自于石油。國際上石油的價格直接影響著各個國家的經(jīng)濟(jì)，石油能源是否充足，直接影響著一個國家的發(fā)展。

但是在戰(zhàn)爭、經(jīng)濟(jì)等多方原因之下，世界多次爆發(fā)能源危機(jī)。比如1990年，波斯灣戰(zhàn)爭導(dǎo)致石油價格暴漲。2000年美國加州電力管制政策失敗，加上電力資源供不應(yīng)求，導(dǎo)致了加州電力出現(xiàn)危機(jī)。2005年，全球石油供需關(guān)系失調(diào)，石油供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石油需求量，導(dǎo)致石油價格猛漲。

盡管石油是當(dāng)今社會不可或缺的能源，但它卻是不可再生的能源。隨著人類社會不斷發(fā)展，科技水平的進(jìn)步、人口數(shù)量的激增、汽車保有量的增加都增大了人類對石油資源的依賴。

目前石油資源的消耗量逐年上漲，石油資源的總量卻不會在短時間內(nèi)增多，長此以往石油能源必定“坐吃山空”。所以人類現(xiàn)在迫切地需要找到一種能夠代替石油資源的物質(zhì)。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)全人類的可持續(xù)發(fā)展，世界各國都在積極探索其他能源。能量巨大的核能就成了各國爭相研發(fā)的重要能源之一。

但是目前世界上所有使用核能發(fā)電的國家都采用的是核裂變方式，這種方式具有很大的危險性和污染性，核廢料的處理成本也非常高。比如日本就為了節(jié)省核廢料處理經(jīng)費，宣稱要向大海傾倒核廢料，遭到了世界各國的強(qiáng)烈抵制。

福島核電站

不過還有一種能夠不產(chǎn)生輻射肥料的核能發(fā)電方式，它就是可控核聚變發(fā)電技術(shù)。我國安徽省合肥市就有一枚憑借此技術(shù)制作出了“人造太陽”，這枚“人造太陽”以7000萬℃的溫度運行了17.6分鐘，這在世界上是什么水平呢？

人造太陽

“人造太陽”就是全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），它的運行原理是在裝置內(nèi)部的真空室里加入氫的同位素氘或氚，之后裝置運作會產(chǎn)生等離子體。通過技術(shù)提高等離子體的密度和溫度后，它就會發(fā)生聚變反應(yīng)，聚變反應(yīng)過程中會產(chǎn)生巨大的能量。因為其外形為環(huán)狀，所以也被稱之為東方超環(huán)。

2021年12月30日，我國中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所傳來一則喜訊，我國東方超環(huán)在以7000萬℃的高溫運行了17.6分鐘。這是世界上首個“人造太陽”長脈沖高參數(shù)等離子體運行超過千秒的記錄。

早在上個世紀(jì)九十年代，歐盟、美國以及日本的大型托卡馬克裝置在磁約束核聚變研究中獲得了許多重要成果。但是我國在超導(dǎo)托卡馬克裝置領(lǐng)域的研發(fā)起步比較晚，最早是將原蘇聯(lián)T7超導(dǎo)托卡馬克改成HT-7。

直到2000年，我國全超導(dǎo)托卡馬克EAST計劃開始籌備落實。經(jīng)過近10年的籌備，東方超環(huán)裝置終于在2006年建成并投入運行。

東方超環(huán)裝置是世界上第一個非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克裝置，自誕生起就多次取得重大突破。2009年，EAST裝置首輪物理放電實驗取得成功。

2016年，東方超環(huán)裝置在5000萬℃的高溫環(huán)境下長時間運行打破了世界紀(jì)錄。東方超環(huán)裝置創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億℃101秒和1.6億℃20秒等離子體運行。在此記錄被打破之間，世界上的同類型裝置在1億℃左右的溫度下只能運行約20秒。

東方超環(huán)裝置主要由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統(tǒng)等六大組成部分組成。

整體裝置的主機(jī)高11米，直徑8米，重400噸。盡管東方超環(huán)的直徑長達(dá)8米，但是它的直徑卻只有國際熱核聚變試驗堆（ITER）的三分之一左右。

不過東方超環(huán)具有更靈活的優(yōu)勢，而且在科研領(lǐng)域的作用卻一點也不小，尤其是此次能夠在7000攝氏度的高溫下運行17.6分鐘，注入1.73吉焦的能量，更是打破了中國超環(huán)自己在2012年創(chuàng)下的411秒世界紀(jì)錄，對于中國今后在聚變工程方面的研究和探索有著空前意義。

東方超環(huán)在世界屬于什么水平？

目前東方超環(huán)使用的是可控核聚變發(fā)電技術(shù)，它最大的優(yōu)勢就是它本身是清潔能源。雖然同為核發(fā)電技術(shù)，但是核能發(fā)電使用的原料是鈾、钚等重元素。這種可控核裂變技術(shù)并非絕對可控，一旦發(fā)生泄漏事故，將會造成非常大的污染，而且污染的后果將會延續(xù)百年以上。

但是東方超環(huán)的可控核聚變發(fā)電技術(shù)不會使用放射性元素，所以也不會像核裂變那樣危險。如果實驗過程出現(xiàn)意外，只要簡單的操作就可以迅速降溫和降壓，核聚變過程也會立即停止。所以很多國家都有向可控核聚變發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)軍的勢頭。

但目前世界上能夠使用射頻波加熱的裝置只有中國超環(huán)和國際熱核聚變試驗堆（ITER）。所以說我國取得如此傲人的成績，說明東方超環(huán)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

現(xiàn)階段，東方超環(huán)已經(jīng)基本具備了發(fā)電能力，下一步我國將會繼續(xù)延長東方超環(huán)的運行時間，努力實現(xiàn)“讓聚變能的第一盞燈在中國點亮”的宏大目標(biāo)。

東方超環(huán)能夠取得如此傲人的成績離不開幕后工作人員的辛勤付出。從2021年5月28日，東方超環(huán)在經(jīng)歷了98958次實驗后成功達(dá)到1.2億℃，再到12月30日實驗106915次以后運行了17.6分鐘，僅僅間隔了216天的時間。

如果在這七個月里，我國的科研人員每天都在不間斷實驗的話，他們平均每天要實驗37次。假如節(jié)假日可以休息的話，平均每天的試驗次數(shù)要超過50次。所以這次東方超環(huán)能夠取得如此優(yōu)異的成績離不開每一位科研人員的努力。

東方超環(huán)的未來

目前核聚變質(zhì)能轉(zhuǎn)換的效率大概為7‰，也就是說1公斤燃料中只有7克燃料會完全轉(zhuǎn)換為能量，大約能發(fā)電1.75億度。現(xiàn)在我國耗電量大約為72000億度，如果真的將此技術(shù)運用到全國范圍，那么我們需要42噸燃料。

東方超環(huán)的原料是氫，雖然看起來42噸氫非常多，但我們根本不擔(dān)心它會用完。一方面，宇宙中最常見的物質(zhì)就是氫，地球的重要組成元素也是氫，我們空氣中就含有大量的氫。

另一方面，氫氣不僅可以從天然環(huán)境獲取，還可以人為制取。比如從焦化、氯堿、鋼鐵、冶金等工業(yè)副產(chǎn)氣就可以利用電解水制取氫氣。雖然東方超環(huán)所需的燃料氫氣無處不在，但是我們在大量制備、儲存以及運輸氫氣的技術(shù)上還有待提高。

全超導(dǎo)托卡馬克裝置只是一個核聚變實驗堆，我國新一代的“人造太陽”已經(jīng)在2021年開始實施建設(shè)，預(yù)計到2035年就會建成。新一代的“人造太陽”是一個更大的核反應(yīng)堆，是一個聚變工程項目。

電解水制氫

等新一代“人造太陽”建成以后，我國就可以在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實用化發(fā)電科學(xué)實驗。預(yù)計到2050年時，我國的新一代“人造太陽”聚變工程實驗堆就可以進(jìn)行商業(yè)化用電推廣。屆時，我們將完全掌握核聚變發(fā)電技術(shù)?！白尵圩兡艿牡谝槐K燈在中國點亮”的宏大目標(biāo)也將會變成“讓聚變能電燈在中國家家戶戶中亮起”的美好愿景。