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合肥“人造太阳”,7000万℃运行17.6分钟,在世界属于什么水平?

自从人类登上地球的历史舞台之后,对自然环境的适应和改造,既是推动人类智力提升的关键,同时也是推动人类文明发展的源动力,而在人类适应和改造自然环境的过程中,对能源的利用则是衡量发展水平的重要指标。

前苏联科学家家尼古拉•卡尔达舍夫,就是根据一个文明形态对能源利用水平的高低,将宇宙文明划分为三个等级,即母星文明、恒星文明和星系文明。其中母星文明是指仅能够利用文明所在行星上的所有资源,恒星文明是能够利用所在恒星系中所有能源的文明形态,而星系文明是能够利用整个星系的能源,并能够在不同恒星系间“自由穿梭”的高等级文明。目前,地球上的人类文明,能够利用的太阳辐射能量比例还非常低,根据卡尔达舍夫建立的文明等级划分公式,地球人类文明的等级,仅有0.7级,连达到母星文明的标准还有很大的差距。

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人类目前利用能源的方式,还主要依靠地球在长期的演化过程中,所积累起来的“太阳能”,比如仍然占能源消费很大比重的传统化石能源-煤炭、石油和天然气,即使一些新的清洁能源,比如水能、风能、潮汐能、地热能,说白了也是太阳能演化出来的不同形式。人类社会自从进入到工业社会之后,对传统化石能源的消耗数量呈指数级的增长态势,一方面能源的开采和加工增长速率赶不上消耗的速率,另一方面化石能源消耗过程中向环境中排放了大量的污染物质和温室气体,不到200年的时间,就导致了全球能源危机、大范围的环境污染以及全球变暖等一系列问题。所以,为了人类的可持续发展,必须在能源利用模式和利用效率方面进行突破。

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从上世纪50年代前苏联建造了全球第一个核电站开始,人类利用能源开始进入到了原子能层面。利用核电站发电,具有所需原材料少、发电效率高、清洁无污染等优点,逐渐成为能源领域越来越重要的补充力量。

然而,核电站的发电原理是利用原子的核裂变,虽然所需原料少,但是原料是具有非常强的铀、钚等放射性元素,管控得好的话,没有什么问题,一旦发生突发事件,比如操作不当、受到地震、海啸等自然灾害的影响,有发生反应堆爆炸以及核泄漏的风险,放射性物质脱离了约束,随着空气、水流等进入环境中,将会造成严重的放射性污染,而且久久不能消失。前苏联境内所发生的切尔诺贝利核泄漏事故,虽然目前已经过去了30多年,但影响仍然没有完全消除。

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既然现在人类利用的一切能源,现在来看很多都可以指向太阳,而太阳内部进行的是核聚变反应,是与核裂变完全相反的过程,即在高温和高压的约束下,将原子序数非常小的原子聚变为较大的原子,在此过程中释放出能量。拿太阳来说,它的内部在1500万摄氏度、2000亿个大气压下就能够实现可以自行“控制”的核聚变。那么,我们是否能够模拟太阳内部核聚变的进程,利用地球上丰富的氘和氚资源,从而产生非常巨大的能量呢?

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其实,上述这个“理想状态”目标,早在1985年就由国际热核聚变实验堆计划提出了,通过实施这个计划,最主要的目的还是为了缓解和解决地球上的能源危机问题。而按照人类当前的科技水平,并不能在地球上实现太阳内部那么大的压力环境,所以热核聚变实验堆计划另辟蹊径,从提高实验堆的温度入手,通过创建高强度的磁场,将在超高温度下形成的等离子体约束起来,然后推动超高温的等离子体在特殊的容器内部进行核聚变。这个计划,也叫做“人造太阳”计划。

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我国是参与国际热核聚变实验堆计划的重要国家之一,从2003年开始,启动了我国的全超导托卡马克装置研发和建造工作,这个装置被命名为EAST,是应用上述原理,通过磁场约束以及真空绝抗燃,将高温等离子体“管控”起来的一个环形容器。

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我国的科学家们在开发EAST时,充分展现了自主创新、敢于拼搏、迎难而上的精神风貌,从技术层面和结果产出看,在全球的同类实验堆中均处于领先地位。位于合肥的EAST装置,总重量400多吨、直径8米左右,由16个大型超导纵场磁体、12个大型极向场超导磁体,形成的磁场强度、磁通量、等离子电流等参数指标让世界为之艳羡。在这样一系列先进技术的加持下,装置中最终形成的温度、持续高温的时间两项指标也就理所当然成为世界“头一把交椅”了。

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超导托卡马克装置性能先进与否,最直接的衡量指标,一个是温度,另一个就是持续时间。2016年2月,合肥的EAST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;2018年11月,实现了等离子体1亿摄氏度下运行10秒;2019年又将这一纪录增加到20秒,再一次刷新了我们自己的纪录。从去年开始,为了进一步提升EAST性能,我国的科学家们又对装置的内壁材料、等离子体控制设施、高功率加热装置等进行了升级改造,并于2021年5月28日,实现了1.2亿摄氏度下持续运行101秒、1.6亿摄氏度下持续运行20秒这一令人“咂舌”的纪录。

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当然,我国的科学家们并没有满足这一成绩,而是再接再厉,于2021年的最后节点(12月30日),利用EAST装置,实现了7000万摄氏度下长脉冲高参数等离子体持续运行1056秒,遥遥走在了世界前列,在即将迈入2022年之际,再一次向全世界展现了我国科学技术创新的潜力,展示了强大的中国力量。

目前,制约“人造太阳”能够进入商用阶段的最大障碍,就是它产生的能量密度还相对较低,而且还是处于“输入大于输出”的阶段,因此距离“可控”的目标还有较大的差距。不过,我们在这方面信心满满,一步一个脚印,在相应的中长期规划中,也明确了时间表和路线图,即2035年前开展较大规模的工程实验,不断完善和验证从实验到应用的关键技术,到2050年前努力实现初步的可控性核聚变。这无疑将是全球科学技术水平的一次大飞跃,是能源领域的一次翻天覆地的大革命。全球能源危机问题的解决,估计还得看我们大中国!

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