材制视角 | 人造太阳的奥秘

2021-02-17 08:18 作者:青春材制 0人读过 | 我要投稿

初转载于爱学习的青春材制 2020-11-06

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　　不知道大家有没有看过《末世殖民地》这部电影。电影中太阳突然消失，地球满天大雪，黑暗笼罩大地，万物凋零，人类住在地下室靠老鼠，蘑菇为食。这一情节不禁让人陷入沉思，假如太阳真有一天离我们远去，我们该如何应对，是像《流浪地球》中一样孤投一掷去寻找别的太阳系？还是换一种思考方式，造一个新的“太阳”？

　　这样想法与人造太阳计划，又叫ITER计划不谋而合，它旨在解决日益严峻的能源不足的问题。1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、苏、欧、日共同启动"国际热核聚变实验堆（ITER）"计划。ITER计划的目标是要建造一个可自持燃烧（即"点火"）的托可马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆以及商用聚变堆的物理和工程问题做深入探索。

　　ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克（托克马克装置又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的"磁笼"。等离子体就被约束在这"磁笼"中，很像一个中空的面包圈,等离子体环中感生一个很大的环电流），其装置中心是高温氘氚等离子体环，其中存在15兆安的等离子体电流，核聚变反应功率达50万千瓦，每秒释放多达1020个高能中子。等离子体环在屏蔽包层的环型包套中，屏蔽包层将吸收50万千瓦热功率及核聚变反应所产生的所有中子。作为聚变能实验堆，ITER要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的"磁笼"中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。

　　虽然这个反应堆不能完全替代太阳，但是这项计划不仅关系到最终解决人类能源问题，而且还能推进众多最先进的技术的发展。“人造太阳”所产生的资源可以说是无限的，这是因为它主要的反应原料是新的同位素氘和氚以深海里面提取的氘，若全部反应掉，释放出的能量相当于300升汽油提供的能量，可想而知对我们未来的发展是很关键的。

　　那么， “人造太阳”计划还要多久才能成功，并为人类造福呢？中国能源网首席信息官韩晓平说：“目前这一工程还面临很多难以解决的困难，离人类最后的实际利用还有很长的路要走。”因为核聚变会产生非常非常高的温度，我们有没有可以耐如此高温的容器？怎么控制它聚变？一旦控制它了以后，这么高的温度我们怎么会把这么高的温度转化成有效的电能？所以：人类最终要解决的还有很多很多的难题。

　　但是，“不管多么险峻的高山，总是为不畏艰难的人留下一条攀登的路。”20世纪90年代，在欧洲、日本、美国的几个大型托克马克装置上，聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。21世纪初，随着中国的加入，标志着ITER计划实质上进入了正式执行阶段。

　　由中国自行设计、研制的世界上第一个全超导托卡马克EAST核聚变实验装置2006年成功完成首次工程调试，2007年3月通过国家验收。我们在一些战略高技术和产业关键核心技术取得重大突破，取得了一批重大原创成果，一些学科领域走到世界前列。

　　据《科学》报道，今年五月底，耗资250亿美元的国际热核聚变实验堆（ITER）项目迎来了重要里程碑时刻。施工人员开始安装反应堆托卡马克的首个主要部件。下一步，项目团队将把低温恒温器金属钢罐焊接到底座上，之后，他们将陆续收到中国，韩国、日本等国家交付的零件，开始真空容器的安装。ITER团队正努力在2021年底前将ITER的主要部件全部运到施工现场，以便在2025年12月的最后期限到来之前启动这台巨大的机器。

　　工程热物理学家蔡睿贤院士讲，在他很小的时候，一些科学家就告诉他，50年后人类就可以使用可控核聚变，但是50年过去了，这些科学家依然跟他说需要50年的时间，也许人类还要继续奋斗50年甚至更长的时间。但是，只要这项工程能坚持下去，这种无畏的开拓精神能够传承下去。即使这一代科学家们不能完成人造太阳，实现能源的无穷无尽，我们这一代也会坚持下去，争取为全人类的生产生活，以及大自然的生态作出伟大的贡献。

　　最后，引用《流浪地球》中的一句话：无论最终结果将人类导向何处，我们都决定，选择希望！