合肥人造太阳创纪录，1.2亿摄氏度运行101秒！商用核聚变有多远？

发布者：求真痴者 2023-7-25 18:03

随着能源需求的飙升和环境污染问题的加剧，人类对于清洁能源的追求愈发迫切，而核聚变能将自然界可再生资源转化成巨大能量，受到了全球科学家的关注。中国合肥的人造太阳屡次刷新记录，这项技术似乎正处于飞速发展中，商用核聚变还有多远呢？

人造太阳的原理与技术

核聚变反应是在高温、高压的环境下将轻元素如氘、氚等原子核聚合成较重的原子核，这一过程会伴随着能量的大量释放。太阳就是一个宇宙中自然存在的核聚变反应堆，通过核聚变产生的热量支撑地球上的生命活动。

现有的人造太阳就是试图通过机器模拟太阳的核聚变，以实现在地球上产生巨大能量的技术。核聚变主要是使用氘和氚，这些元素在地球上储量很大，且核聚变产生的能量密度高、环境影响小，被认为是应对即将到来的能源危机的理想选择。

然而实现核聚变需要解决一系列技术难题，如高温高压条件下的等离子体约束、核聚变产物的处理等。目前，磁场约束技术是实现核聚变这一过程的主要途径，其中托卡马克就是一种典型的人造太阳。

通过创建高强度的磁场和超高温度的环境，将等离子体限制在托卡马克装置内，然后通过高功率加热装置不断加热等离子体，等到温度达到一定的标准后，产生核聚变反应。如今全球多个国家正在研发托卡马克装置，以期实现核聚变的商业应用。

合肥人造太阳装置的突破与成就

合肥人造太阳是我国自主研发的全超导托卡马克装置，作为中国在核聚变领域的重要实验设施，自2003年启动研发以来，就一直处于世界先进水平。在全球同类实验设施中，这一装置的建造技术和成果产出均处于领先地位。

该装置的总重量达到400多吨，直径约8米，由16个超导纵场磁体和12个极向场超导磁体组成，其磁场强度、磁通量、等离子电流等技术指标均令世界为之惊叹。有这些关键参数的加持，装置在形成的温度和高温能持续的时间两方面均表现出极高的性能。

合肥的人造太阳以磁场约束和真空绝缘的方式，将高温等离子体管控在一个环形容器内，这一技术使得装置在温度和持续时间两个方面屡次刷新纪录。2016年2月，就实现了等离子体5000万摄氏度下持续进行等离子体放电102秒的记录。

为了进一步提升装置性能，中国科学家对内壁使用的材料、控制设施和加热装置等进行升级改造。2021年实现1.2亿摄氏度下运行保持101秒，仅仅两年后，又成功实现了长达403秒的稳态长脉冲高约束等离子体操作，为全球核聚变技术的发展做出了巨大贡献。

商用核聚变的挑战

核聚变需要的元素资源丰富、制备过程不产生有害气体，是负面影响极小的环保能源。然而要将核聚变从实验室推向商用领域，仍面临着许多挑战。从成本上来说，如何高效率低损耗地从海水中提取足量的氘和氚作为燃料，就是一个亟待解决的经济和技术难题。

其次是人造太阳的制造尺寸问题。目前的核聚变实验装置体积庞大，这使得装置的建设和维护成本极高。为了实现核聚变的商业化应用，必须发展出更加紧凑、高效的核聚变装置，这需要在材料科学、磁场控制技术等多个领域取得重大突破。

目前的核聚变实验装置都是在磁场约束下进行的，这意味着需要强大的磁场来防止等离子体与容器壁之间的气态物质相互作用，以维持核聚变反应的正常进行，这对设备运行的稳定性提出了挑战。

此外，强磁场的产生和维持需要消耗大量能量，现在人造太阳产生的能量密度相对较低，导致设备消耗的能量大于产生的能量。要推广核聚变的应用，必须大幅提高核聚变反应的能量密度，最终实现能量的净增长。

再者，核聚变反应产生的中子会对实验装置的内壁产生辐照损伤，这会导致实验装置的内壁材料逐渐老化，从而影响实验装置的运行寿命。因此，设计并选择具有较高抗辐射性能的材料，以保证核聚变装置的安全和可靠运行，也是不可忽视的环节之一。

除了实现核聚变反应的技术挑战，人造太阳想要投入市场还需要降低生产过程中废料对环境和生态的影响。尽管核聚变的废料相对于核裂变的废料辐射性较低，但仍然需要妥善对待，有效地回收、处理和存储这些核废料是实际应用中的另一个关键问题。

商用核聚变面临着诸多挑战，但这并不意味着应该放弃对这一理想能源的追求。合肥人造太阳已经展示出了强大的潜力，一旦加大科研投入，推动核聚变技术取得更多突破，在不远的将来，人造太阳就有机会实现核聚变在能源领域的重大变革。