核聚變創造人造太陽

A. 「人造太陽」核聚變發電，要等到 2050 才實現

中國科學家率先建成了世界上第一個全超導核聚變「人造太陽」實驗裝置，模擬太陽產生能量。

報道描述說，這個裝置從內到外一共有五層部件構成，最內層的環行磁容器象一個巨大的游泳圈，進入實驗狀態後，「游泳圈」內部將達到上億度的高溫，這也正是模擬太陽聚變反應的關鍵部位。

國家「九五」大科學工程EAST(先進超導托卡馬克實驗裝置——中新網編輯注)建設項目總負責人萬元熙解釋說，太陽上面為什麼永遠發出這樣的光，永遠能量不會減？在高壓高溫下面，太陽從裡面到表面都在發生聚變反應，正是因為這些聚變反應釋放出大量能量，使太陽上億年源源不斷發出光和熱。但是太陽上的聚變反應是不可控的，就像在地球上看到的氫彈爆炸，巨大的能量在一瞬間釋放出來，只能起到毀滅性的破壞作用。為了讓這種能量為我所用，需要將能量釋放過程變成一個穩定、持續並且可控制的過程。EAST正是起著這一轉化作用，通過磁力線的作用，氫的同位素等離子體被約束在這個「游泳圈」中運行，發生高密度的碰撞，也就是聚變反應。從1升海水中提取的氫的同位素，實現完全的聚變反應，放出來的能量等同於燃燒300公升的汽油所獲得的能量。

萬元熙說，製造一個裝置實現受控熱核(聚變)反應，可以得到無窮盡的清潔能源，就相當於人類為自己製造一個或數個小太陽，源源不斷從核聚變中得到能量。

報道說，EAST工程是國家「九五」重大科學工程，工程總投資近3億元，在進行一段調試和修改補充工作後，預計今年7、8月份正式運行，進行放電試驗，所以你要感到驕傲，人造太陽馬上就能實現了，而且是我們CHINA人造的．

B. 什麼是熱核聚變與人造太陽

什麼是人造太陽

所謂「人造太陽」，即先進超導托卡馬克實驗裝置，也即國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）建設工程，是當今世界迄今為止最大的熱核聚變實驗項目，旨在地球上模擬太陽的核聚變，利用熱核聚變為人類提供源源不斷的清潔能源。核聚變能以氘氚為燃料，具有安全、潔凈、資源無限三大優點，是最終解決全人類能源問題的戰略新能源。

多年來的熱核聚變研究一直圍繞著一個主題，就是要實現可控的核聚變反應，造出一個人造太陽，一勞永逸地解決人類的能源之需。

萬物生長靠太陽，人類生存自然也離不開太陽。我們生火煮飯的柴草來自太陽，水力發電來自太陽，汽車里燃燒的汽油來自太陽……太陽像所有的恆星一樣進行著簡單的熱核聚變，向外無休止地輻射著能量。

我們現今所使用的能源，有些直接來自太陽，有些是太陽能轉化的能源，像水能、風能、生物能，有些是早期由太陽能轉化來的一直儲存在地球上的能源，像煤炭、石油這樣的化石燃料。人類社會發展到今天，僅靠太陽給予的可用能源已經不夠用了。人類能源消耗快速增加，水能的開發幾近到達極限，風能、太陽能無法形成規模。我們今天使用的主要能源是化石燃料，再有100多年即將用盡。人們還抱怨化石燃料對大氣造成了污染，增加了溫室氣體。要知道它們是太陽和地球用了上億年才形成的，但只夠人類使用三四百年，而且它們是不可再生的。另外，煤炭、石油等是人類重要的自然資源，作為燃料燒掉是非常可惜的。人們無不擔心，煤和石油燒完了，而其他能源又接替不上該怎麼辦？能源危機開始困擾著人類，促使人們尋找各種可能的未來能源，以維持人類社會的持續發展。

細心的人會發現，在元素周期表中，雖然元素是由質子和中子成對增加依次構成的，但是原子的重量卻不是按質子和中子的增加而等量增加的。在較輕的原子中，質子和中子的重量偏重，如果兩個輕的原子合成一個重原子，兩個輕原子的原子量之和往往重於合成的重原子。同樣，在較重的原子中，質子和中子的重量也偏重，一個重原子分裂為兩個輕原子，重原子的原子量一般重於兩個輕原子之和。只是在鐵元素附近的原子中，質子和中子的重量偏輕。由此可見，在原子核反應中，質量是不守恆的，即出現了所謂的質量虧損。這些質量到哪裡去了呢？按照愛因斯坦的質能關系公式E=mc2，虧損的質量轉換為能量，由於c2是個巨大的系數，很小的質量就可釋放出巨大的能量。科學家正是基於這一點，利用重金屬的核裂變製造出了原子彈，利用輕元素的核聚變製造出了氫彈。

原子彈和氫彈的巨大威力令人懼怕，同時也讓人們興奮，因為原子中蘊藏的能量太大了，能否利用這種能源是人們自然想到的問題。原子彈和氫彈中的巨大能量是在瞬間釋放出來的，而要作為常規能源使用，就必須實現可控制的核裂變和核聚變。對於核裂變來說，控制起來相對比較容易，裂變核電站早已經實現商業運行。但能用來產生核裂變的鈾235等重金屬元素在地球上含量稀少，而且常規裂變反應堆會產生長壽命的放射性較強的核廢料，這些因素限制了裂變能的發展。

對人們來說，最具誘惑力的自然是核聚變，它的單位質量產生的能量比核裂變還要大幾倍。實際上，宇宙中最常見的就是氫元素的聚變反應，所有的恆星幾乎都在燃燒著氫，因為氫是宇宙中最豐富的元素。氫的聚變反映在太陽上（還有少量其他核聚變）已經持續了近50億年，至少還可以再燃燒50億年。氫在地球上也是非常豐富的，每個水分子中都有2個氫原子，但最容易實現的聚變反應是氫的同位素——氘與氚的聚變（氫彈就是這種形式的聚變）。氘和氚發生聚變後，2個原子核結合成1個氦原子核，並放出1個中子和17.6兆電子伏特能量。就氘來說，它是海水中重水（水分子為H2O，重水為D2O，只佔海水中的一小部分）的組成元素，海水中大約每6500個氫原子中有1個氘原子。每升水約含30毫克氘（產生的聚變能量相當於300升汽油），其儲量就多達40萬億噸。一座1000兆瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304千克，海水中的氘足夠人類使用上百億年，這就比太陽的壽命還要長了，更不要說再使用氫了。另外，除氚具有放射性危險之外，氘-氚聚變反應不產生長壽命的強放射性核廢料，其少量放射性廢料也很快失去放射性。氘—氘反應沒有任何放射性。可以說氫及其同位素的聚變反應能是一種高效清潔的能源，而且真正是用之不竭。既然恆星上都在進行著這樣的核聚變，地球上也不缺這種核聚變的原料，只要實現可控的核聚變，就可以造出一個供人們永久使用的「太陽」。實際上，自從人們揭開太陽燃燒的秘密以來，就一直希望模仿太陽在地球上實現核聚變從而為人類提供無盡的能源。盡管多年過去了，人們只見到了氫彈的爆炸，而沒有看到一座核聚變發電站的出現，但它誘人的前景依然是人們心中一個割捨不去的夢。

中國的人造太陽

中國科學家率先建成了世界上第一個全超導核聚變「人造太陽」實驗裝置，模擬太陽產生能量。

該裝置從內到外一共有五層部件構成，最內層的環行磁容器像一個巨大的游泳圈，進入實驗狀態後，「游泳圈」內部將達到上億度的高溫，這也正是模擬太陽核聚變反應的關鍵部位。國家「九五」大科學工程EAST（先進超導托卡馬克實驗裝置）建設項目總負責人萬元熙解釋說，在高壓高溫下面，太陽從裡面到表面都在發生聚變反應，釋放出大量能量。但是太陽上的聚變反應是不可控的，為了讓這種能量釋放過程變成一個穩定、持續並且可控制的過程，EAST正是起著這一轉化作用，通過磁力線的作用，氫的同位素等離子體被約束在這個「游泳圈」中運行，發生高密度的碰撞，也就是聚變反應。從1升海水中提取的氫的同位素，實現完全的聚變反應，放出來的能量等同於燃燒300升的汽油所獲得的能量。

製造一個裝置實現受控熱核聚變反應，可以得到無窮盡的清潔能源，就相當於人類為自己製造一個或數個小太陽，源源不斷地從核聚變中得到能量。

「人造太陽」徹底改變世界能源格局

根據「可控熱核聚變」原理研發的「人造太陽」將帶來人類能源供應格局的根本性變革。一旦這一成果投入商業運行，將徹底變革世界能源供應格局。

中科院等離子體物理研究所於1994年底在合肥建成中國第一個超導托卡馬克ht－7裝置，在該裝置的基礎上，研究所研製了「east」實驗裝置，被稱為世界上第一個全超導核聚變「人造太陽」實驗裝置。

2005年4月27日，EAST總裝完成了難度最大的工作——三環套裝。三環從里到外的順序為真空室、內冷屏和縱場磁體，是整個裝置的內三層。

2006年1月10日，EAST外杜瓦安裝成功，這標志著EAST總裝第一階段的全面竣工，為EAST降溫通電實驗創造了良好的條件。

外真空杜瓦是EAST裝置最外層的結構部件。它主要為真空室等內部部件提供真空工作環境，隔絕內部部件與環境的自由熱交換，以實現對運行溫度的控制，從而滿足總體設計要求。

根據核聚變發生的機理，要實現可控制的核聚變實際上比造個太陽要難多了。我們知道，所有原子核都帶正電，兩個原子核要聚到一起，必須克服靜電斥力。兩個核之間靠得越近，靜電產生的斥力就越大，只有當它們之間互相接近的距離達到大約萬億分之三毫米時，核力（強作用力）才會伸出強有力的手，把它們拉到一起，從而放出巨大的能量。要使它們聯起手來並不難，難的是既要讓它們有拉手的機會又不能讓它們過於頻繁地拉手。要使它們有機會拉手，就要使粒子間有足夠的高速碰撞的機會，這可以增加原子核的密度和運動速度。但增加原子核的密度是有限制的，否則一旦反應加速，自身放出的能量會使反應瞬間爆發。據計算，在維持一定的密度下，粒子的溫度要達到1億～2億攝氏度才行，這要比太陽上的溫度（中心溫度1500萬℃，表面也有6000℃）還要高許多。但這樣高的溫度拿什麼容器來裝它們呢？

這個問題並沒有難倒科學家，20世紀50年代初，前蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念。前蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇按照這樣的思路，不斷進行研究和改進，於1954年建成了第一個磁約束裝置。他將這一形如麵包圈的環形容器命名為托卡馬克（tokamak）。托卡馬克是「磁線圈圓環室」的俄文縮寫，又稱環流器。這是一個由封閉磁場組成的「容器」，像一個中空的麵包圈，可用來約束電離了的等離子體。我們知道，一般物質到達10萬℃時，原子中的電子就脫離了原子核的束縛，形成等離子體。等離子體是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的氣體，整體是電中性的。在磁場中，它們的每個粒子都是顯電性的，帶電粒子會沿磁力線做螺旋式運動，所以等離子體就這樣被約束在這種環形的磁場中。這種環形的磁場又叫磁瓶或磁籠，看不見，摸不著，也不接觸有形的物體，因而也就不怕什麼高溫了，它可以把炙熱的等離子體托舉在空中。人們本來設想，有了「麵包爐」，只需把氘、氚放入爐內加火烤制，把握好火候，能量就應該流出來。其實不然，人們接著遇到的麻煩是，在加熱等離子體的過程中能量耗散嚴重，溫度越高，耗散越大。一方面，高溫下粒子的碰撞使等離子體的粒子會一步一步地橫越磁力線，攜帶能量逃逸；另一方面，高溫下的電磁輻射也要帶走能量。這樣，要想把氘、氚等離子體加熱到所需的溫度，不是件容易的事。另外，磁場和等離子體之間的邊界會逐漸模糊，等離子體會從磁籠里鑽出去，而且當約束等離子體的磁場一旦出現變形，就會變得極不穩定，造成磁籠斷開或等離子體碰到聚變反應室的內壁上。

托卡馬克中等離子體的束縛是靠縱場（環向場）線圈，產生環向磁場，約束等離子體，極向場控制等離子體的位置和形狀，中心螺管也產生垂直場，形成環向高電壓，激發等離子體，同時加熱等離子體，也起到控制等離子體的作用。

幾十年來，人們一直在研究和改進磁場的形態和性質，以達到長時間的等離子體的穩定約束；還要解決等離子體的加熱方法和手段，以達到聚變所要求的溫度；在此基礎上，還要解決維持運轉所耗費的能量大於輸出能量的問題。每一次等離子體放電時間的延長，人們都為之興奮；每一次溫度的提高，人們都為之歡呼；每一次輸出能量的提高，都意味著我們離聚變能的應用更近了一步。盡管取得了很大進步，但障礙還是沒有克服。到目前為止，托卡馬克裝置都是脈沖式的，等離子體約束時間很短，大多以毫秒計算，個別可達到分鍾級，還沒有一台托卡馬克裝置實現長時間的穩態運行，而且在能量輸出上也沒有做到不賠本運轉。

為了維持強大的約束磁場，電流的強度非常大，時間長了，線圈就要發熱。從這個角度來說，常規托卡馬克裝置不可能長時間運轉。為了解決這個問題，人們把最新的超導技術引入到托卡馬克裝置中，也許這是解決托卡馬克穩態運轉的有效手段之一。目前，法國、英國、俄羅斯和中國共有4個超導的托卡馬克裝置在運行，它們都只有縱向場線圈採用超導技術，屬於部分超導。其中法國的超導托卡馬克Tore?Supra體積較大，它是世界上第一個真正實現高參數准穩態運行的裝置，在放電時間長達120秒的條件下，等離子體溫度為2000萬℃，中心粒子密度每立方米1.5×1019個。中國和韓國正在建造全超導的托卡馬克裝置，目標是實現托卡馬克更長時間的穩態運行。

多年來，全世界共建造了上百個托卡馬克裝置，在改善磁場約束和等離子體加熱上下足了工夫。人們對約束磁場研究有了重大進展，通過改變約束磁場的分布和位形，解決了等離子體粒子的側向漂移問題。世界范圍內掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國1982年在普林斯頓大學建成的托卡馬克聚變實驗反應堆（TFTR），歐洲1983年6月在英國建成更大裝置的歐洲聯合環（JET），1985年建成JT-60，前蘇聯1982年建成超導磁體的T-15，它們後來在磁約束聚變研究中作出了決定性的貢獻。特別是歐洲的JET已經實現了氘—氚的聚變反應。1991年11月，JET將含有14%的氚和86%的氘混合燃料加熱到了3億攝氏度，聚變能量約束時間達2秒。反應持續1分鍾，產生了1018個聚變反應中子，聚變反應輸出功率約1.8兆瓦。1997年9月22日創造了核聚變輸出功率12.9兆瓦的新紀錄。這一輸出功率已達到當時輸入功率的60%。不久輸出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡馬克上最高輸出與輸入功率比已達1.25。

中國的核聚變研究也有較快的發展，西南物理研究院1984年建成中國環流器一號（HL-1），1995年建成中國環流器新一號。中國科學院等離子體物理研究所1995年建成超導裝置HT-7。HT-7是前蘇聯無償贈送給中國的一套縱向超導的托卡馬克實驗裝置，經等離子體物理研究所的不斷改進，它已成為一個龐大的實驗系統。它包括HT-7超導托卡馬克裝置本體、大型超高真空系統、大型計算機控制和數據採集處理系統、大型高功率脈沖電源及其迴路系統、全國規模最大的低溫氦製冷系統、兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱系統以及數十種復雜的診斷測量系統。在十幾次實驗中，取得若干具有國際影響的重大科研成果。特別是在2003年3月31日，實驗取得了重大突破，獲得超過1分鍾的等離子體放電，這是繼法國之後第二個能產生分鍾量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。在HT-7的基礎上，等離子體物理研究所研製和設計了全超導托卡馬克裝置HT-7U（後來名字更改為EAST（Experimental Advanced Superconcting Tokamak））。

C. 人造太陽是核聚變還是核裂變

目前為止，普遍可行的的是核聚變。當然，等到技術允許，核裂變也不是不可能的。

D. 中國核聚變重大突破，人造太陽是用來做什麼的

如今，科技越來越發達，不管是在我們出行還是吃住方面，都可以看到科技的影子，而這些科技想要展現出來，大多都需要能源支持，幾乎所有現代東西都需要電的供應，而電的供給大多來源於煤炭，所以這幾十年來我們的能源大肆消耗，但這都是不可再生資源，總有一天會用完，所以各個國家的科學家都致力於新能源的開發，最近中國新一代人造太陽首次發電，這意味著什麼？意味著在太陽能發電這一領域取得了巨大突破，在將來可能是更大范圍的使用，對於我們來說太陽能是取之不盡，用之不竭的，或許在未來會成為我們的主要能源之一。

E. 溫度高達4萬億攝氏度，科學家是怎麼創造「人造太陽」的

不同的溫度，會給人類帶來不同的感受， 15℃~17℃是最佳居住環境的溫度，在這個溫度下，人類的身體可以自我調節，只需要穿上簡單的衣服就可以很好保證身體健康。對於野外的動物來說，溫度也至關重要，突然的氣候變化很可能會導致一批物種大面積死亡，多數生物對溫度都有比較嚴苛的要求。

幸運的是，人類可以適應大部分的氣候變化，當然在在一些極端環境面前，人類也無法生存，比如說寒冷的北極冰川，又或者是高溫的火山，都會給我們帶來致命的危險。在北極的冬季，最低的溫度是零下70℃，從物理學的角度來看，溫度的降低存在極限，可是溫度的增加似乎並不存在極限，在實驗室中科學家甚至實現了4萬億度的高溫，最新的實驗中甚至可以超過5萬億攝氏度，為什麼人類可以創造出這么可怕的高溫呢？

在這樣的溫度下，空間和物質的概念都會改變，一切物質都會成為等離子體或者流體，這樣的物質只在宇宙大爆炸的瞬間出現，由此可以想像科學家創造出來的高溫有多麼恐怖，但是也不用擔心，這樣的高溫不會對我們造成影響。

首先，這樣的溫度是間接測量出來的，沒有使用儀器，並且我們對溫度的理解是不太正確的，溫度的本質是粒子運動劇烈程度的體現。5萬億攝氏度的高溫，科學家看到的不是溫度，而是粒子的高頻活動，這樣就很好理解為什麼存在絕對零度，卻不存在溫度上限了，在達到絕對零度時，粒子的運動也被凍結，因此溫度無法繼續降低了，但是在溫度不斷升高時，粒子的運動是越來越快的，這樣的運動是否真的存在一個極限？至少目前我們做不到。

F. 中國核聚變「人造太陽」即將完成改造，這對於我們來說有何意義

最近一段時間中國新一代人造太陽終於完成了建設，引起了不少朋友們的關注，通過這樣的核聚變對能夠給我們的生活帶來非常大的改變，因為這樣的核聚變原理和太陽發光發熱的原理是非常相似的，所以才會被稱之為人造太陽。

人造太陽工程對於我們的意義遠遠不止一次，除了有這些作用之外，還有一個作用也是非常強大的，就是有了人到太陽工程之後，我們的國際地位也會不斷提升，在國際上面的影響力也會變得越來越大，而這也是我國復興需要的一個前提條件。

G. 核聚變（人造太陽）的安全性如何

人類歷史上發生過多次核電站泄漏，切爾諾貝利、福島核電站泄漏都使得周圍十來萬群眾遷居。所以對於核聚變很多人也持懷疑態度，氫彈比原子彈厲害，核聚變電站炸了那還得了？其實真的想多了。

核聚變是一種相當安全的產生方式，不同於裂變。裂變是因為重金屬的元素和難以束縛電子、中子，因此鐵之後的很多元素都具有天然衰變的能力，而且類似於鈾、鈈等都還有同位素，相對中子更多，原子核更難束縛，所以會裂變。

即便在正常運行的過程中，這種方式由於利用氘聚變，產生的元素是氮元素核，和一些自由中子，氮氣是大氣中分布最多的氣體，自由中子在空氣中的穿行距離有限，所以核聚變設施對周圍基本上沒有什麼威脅。而且目前人類的發展方式是產能設施和人類生活的區域隔離，即便是核電站也和居民區的距離有安全限值，所以不必擔憂核聚變設施產生核裂變電站那樣的危害。

核聚變的安全性、無污染的特點使得它成為人類追求的一個重要目標，目前已經可以實現輸出能量大於輸入能量，證實這種設想可以作為穩定的能源輸出設備。現在要做的就是繼續提升穩定性和運行時間，若是能不停運行幾年或者幾十年，那就有了實用的價值，盡管先期要輸入較多的能量，可是僅僅是地球上核聚變原材料氘就可以拱人類用若干個千年，而這種元素在宇宙中很多，宇宙最多的元素就是氫，所以實現後人類基本不再有能源問題困擾。

H. 核聚變真的會出現人造太陽這一現象嗎

隨著科技和經濟的高速發展，人們對資源的需求也越來越大。一些不可再生能源正在飛速銳減，如何開發新能源對世界各國來說一直都是個難題，中國也不例外。在中科院合肥物質科學研究院里，一項名為「人造太陽」（全超導托卡馬克）的科學工程正在緊鑼密鼓地進行著。

那麼人造太陽試製成功能代表什麼，在如今能源大戰的世界，誰掌握了清潔能源，誰就能當老大，就像美國控制了美元和石油，在世界上指手畫腳。當然相對於天空中的恆星太陽雖然都能發出光和熱。

但是這一過程發生的要求也非常高，首先內部的溫度要達到上億度，如果是普通容器眨眼間就灰飛煙滅了。為此，科學家用一個巨大的磁場將正在進行聚變反應的等離子體火球懸浮起來，不與容器接觸，進而成為懸掛著的「太陽」。

I. 人類真的能造出太陽嗎，製造人造太陽有何目的呢

說到「人造太陽」，我們都知道是可控核聚變技術裝置，但是不清楚的朋友可能仍然會認為是人類造出了一個「小太陽」，實際上它是利用的可控核聚變技術製造出來的一團高溫等離子體，通常並非球形，而是呈環狀，其目的是為了發電用。

所以「東方超環」這樣的托卡馬克裝置所創造的溫度其實比太陽的溫度還要高，因此也難怪會被稱為「人造太陽」了。

J. 核聚變為什麼被稱為「人造太陽」

太陽發光的能源之謎，讓人類探究了上千年，直到20世紀英國物理學家盧瑟福發現了核聚變反應，才促成了太陽的能量來源於氫核聚變生成氦核的假說，太陽發光由此得到了合理解釋。氫核聚變的發現也使人類產生了新的夢想，在地球上做出「人造太陽」。

但等離子體並不總是老實地繞著磁場旋轉，它們會發生各種復雜的不穩定性。多年以來，物理學家已經解決了很多不穩定性，可是就好像物理學在故意捉弄我們一樣，新的不穩定性又不斷地被發現。

不過，大自然有時候也會給物理學家一點驚喜。1982年，德國科學家發現如果把對等離子的加熱功率從160萬瓦提高到190萬瓦，整個約束會突然變好。物理學家至今也沒完全搞清楚這是怎麼回事，只好把它籠統地稱為「高約束模式」。現在包括中國合肥的「先進超導托卡馬克實驗裝置」在內，我們已經能夠比較自如地在實驗中實現高約束模式。

目前有中國參與的「國際聚變實驗反應堆」項目正在進行之中，這將是史上最貴的科學實驗。按照計劃，這個裝置將在2026年前實現對等離子體的穩定控制和10倍於輸入能量的聚變能量輸出。如果一切順利，那麼第一個商業示範反應堆將在2050年前建成。屆時「人造太陽」就可以永駐地球之上造福人類了。