當(dāng)我們?cè)絹?lái)越離不開(kāi)能源時(shí)，一個(gè)「人造太陽(yáng)」的想法便產(chǎn)生了——如今已 45.7 億歲的太陽(yáng)正不斷通過(guò)核聚變向太空釋放光和熱，如果核聚變可控，它將成為未來(lái)世界的能量來(lái)源，永久解決人類社會(huì)能源與環(huán)境問(wèn)題。

那么，只要設(shè)計(jì)出一個(gè)巨型裝置產(chǎn)生核聚變反應(yīng)，是不是就能制造出第二個(gè)太陽(yáng)了呢?

為了解答這一問(wèn)題，各國(guó)政府、科學(xué)家、商業(yè)公司都參與了進(jìn)來(lái)，「人造太陽(yáng)」的夢(mèng)想也逐步實(shí)現(xiàn)。

甜甜圈里的巨大能量

所謂核聚變，其原理就是核外電子在極高的溫度和壓力下擺脫原子核的束縛，使得兩個(gè)原子核互相吸引而碰撞到一起互相聚合，從而形成質(zhì)量更重的原子核;與此同時(shí)，中子也逃離了原子核的束縛，因此便有了巨大的能量釋放。

為了進(jìn)行這樣一種核反應(yīng)，蘇聯(lián)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種特殊裝置——「托卡馬克」(Tokamak)。

二戰(zhàn)末期，蘇、美、英等國(guó)都在進(jìn)行核聚變研究，旨在用于軍事目的。20 世紀(jì) 50 年代，蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫研究所的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)便發(fā)明了一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器托卡馬克。

裝置的主要特征其實(shí)不難從其名稱看出——Tokamak 由環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、線圈(kotushka)四個(gè)單詞組合而成。

要進(jìn)行核聚變，科學(xué)家們要做一些準(zhǔn)備工作——先抽出真空室里的空氣和雜質(zhì)，接著給能夠限制、控制等離子體的磁體系統(tǒng)充電，并引入氣態(tài)燃料。

受到極高的溫度、壓力的影響，真空室里的氣態(tài)氫燃料會(huì)發(fā)生電分解，電離并形成等離子體。當(dāng)?shù)入x子體粒子被激發(fā)并碰撞時(shí)溫度升高，達(dá)到熔融溫度(1.5-3 億攝氏度)。在達(dá)到這種程度后，粒子便克服碰撞時(shí)的自然電磁排斥力進(jìn)行融合，大量能量由此釋放。

1968 年 8 月，在蘇聯(lián)新西伯利亞召開(kāi)的第三屆等離子體物理和受控核聚變研究國(guó)際會(huì)議上，庫(kù)爾恰托夫研究所研究團(tuán)隊(duì)的阿齊莫維齊宣布了受控核聚變領(lǐng)域研究的重大突破(電子溫度 1keV，質(zhì)子溫度 0.5keV，nτ=10 的 18 次方 m-3.s)。

此后，一股托克馬克風(fēng)潮掀起，各國(guó)研究院所開(kāi)始自主建造或在蘇聯(lián)的基礎(chǔ)上改建，希望利用托卡馬克(雷鋒網(wǎng)注：托卡馬克被認(rèn)為是最有優(yōu)勢(shì)的受控核聚變裝置)進(jìn)行受控核聚變研究。其中就包括美國(guó)普林斯頓大學(xué)、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、法國(guó)馮克奈-奧-羅茲研究所、英國(guó)卡拉姆實(shí)驗(yàn)室、西德馬克斯-普朗克研究所等等。

七國(guó)一起造太陽(yáng)

正如上文所述，研究核聚變不僅僅是科學(xué)家的事，也涉及到了政治因素。

1985 年，盡管還在冷戰(zhàn)期間，美國(guó)總統(tǒng)里根和前蘇聯(lián)總統(tǒng)戈?duì)柊蛦谭蛉栽谀炒问啄X會(huì)議上倡議開(kāi)展一項(xiàng)國(guó)際核聚變研究合作。

同年，在國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的主持下，「國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆」(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)計(jì)劃創(chuàng)立。

1987 年，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)總干事邀請(qǐng)歐共體、日、美、加、蘇聯(lián)等國(guó)的代表共同探討并達(dá)成協(xié)議合作建造。次年，研究設(shè)計(jì)工作正式開(kāi)始。

本質(zhì)上，ITER 是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克，也被稱為文章開(kāi)頭所說(shuō)的「人造太陽(yáng)」。

造一個(gè)“太陽(yáng)”談何容易。一直到 13 年后的 2001 年，耗資 15 億美元的 ITER工程設(shè)計(jì)工作完成。

2006 年 5 月，在經(jīng)過(guò) 5 年談判后，我國(guó)與歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)共同草簽了 ITER 計(jì)劃協(xié)定。

2007 年，作為一項(xiàng)國(guó)際大科學(xué)工程計(jì)劃，ITER在法國(guó)啟動(dòng)，最初計(jì)劃于 2016 年完成，耗資 110 億美元。然而，ITER 計(jì)劃是僅次于國(guó)際空間站的國(guó)際大科學(xué)工程計(jì)劃，進(jìn)展也并不順利。

2020 年 4 月底，施工人員開(kāi)始安裝 ITER托卡馬克的首個(gè)主要部件。

實(shí)際上，此次新冠疫情也影響了工程進(jìn)度——施工現(xiàn)場(chǎng)的工作人員數(shù)從 2500 削減至 700。

雷鋒網(wǎng)在ITER 官網(wǎng)留意到，截止 2020 年 4 月 30 日，第一個(gè)等離子體完成進(jìn)度為 69.3%。

能把進(jìn)度條放在官網(wǎng)的醒目位置，可見(jiàn)ITER 團(tuán)隊(duì)對(duì)這一項(xiàng)目既有期待也有焦慮。

據(jù)悉，ITER 團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在 2021 年底前將主要部件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，希望在 2025 年 12 月前啟動(dòng)「人造太陽(yáng)」，屆時(shí)，世界上最大的托卡馬克裝置也將問(wèn)世。

中國(guó)“太陽(yáng)”創(chuàng)世界紀(jì)錄

實(shí)際上，自 1968 年 8 月的第三屆等離子體物理和受控核聚變研究國(guó)際會(huì)議后，我國(guó)科研力量也逐步開(kāi)始投入了托卡馬克裝置的研究。

早在 1990 年，中國(guó)國(guó)家科學(xué)院等離子所就開(kāi)始組織興建大型超導(dǎo)托卡馬克裝置，當(dāng)時(shí)也是受到了來(lái)自俄、美、歐盟等地專家的大力支持。

1993 年，我國(guó)建成了 HT-7，成為繼俄、法、日(分別為 Tore-Supra、T-15、JT-60U)后第四個(gè)擁有同類大型裝置的國(guó)家。

值得一提的是，HT-7 源自蘇聯(lián)方面贈(zèng)送給中國(guó)的 T-7 裝置，不過(guò) T-7 裝置原本不具備物理實(shí)驗(yàn)功能。經(jīng)過(guò)改造，HT-7能夠開(kāi)展多種實(shí)驗(yàn)

在 HT-7 的基礎(chǔ)上，1998 年大型非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置 HT-7U 立項(xiàng)。

2003 年 10 月，HT-7U 正式改名為 EAST，即 Experimental and Advanced Superconducting Tokamak，也就是世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克、令中國(guó)走在世界可控核聚變前列的“東方超環(huán)”。

2006 年，EAST 工程全面完成，兩次放電調(diào)試都獲得了穩(wěn)定、重復(fù)和可控的等離子體。

2009 年，“東方的太陽(yáng)”也迎來(lái)了它的高光時(shí)刻——首輪物理放電實(shí)驗(yàn)成功，這標(biāo)志著我國(guó)站在了世界核聚變研究的前端。

前不久，EAST 再次取得重大突破，等離子體中心電子溫度首次實(shí)現(xiàn) 1 億攝氏度運(yùn)行近 10 秒。

不過(guò)，雖然成績(jī)喜人，不少人更為關(guān)注的應(yīng)該是如何應(yīng)用。

據(jù) SELF 格致論道講壇報(bào)道，此前中國(guó)工程院院士、中科院等離子體物理研究所研究員李建剛表示：

我們現(xiàn)在正在做實(shí)驗(yàn)裝置、參加 ITER，但是希望十年以后能建造中國(guó)自己的工程堆，這樣才能夠驗(yàn)證發(fā)電。有了這個(gè)東西以后，在 50 年到 60 年之間就能商用化。

「人造太陽(yáng)」的夢(mèng)想始于半個(gè)世紀(jì)以前，如今夢(mèng)想逐步走向現(xiàn)實(shí)，究竟可控核聚變何時(shí)會(huì)真正惠及人類，我們拭目以待。