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能源终极梦想：中国科学家“种太阳”

天文物理 · 公众号 · 物理 · 2017-10-10 23:51

正文

煤、石油、天然气，这些人类赖以生存的不可再生能源，终有一天将被耗尽，人类社会会停止发展吗？答案是否定的，因为存在这样一种大科学装置，未来只需200公斤的重水和锂就能支撑上海一年的用电量！

这不是科幻，这是承载着人类能源希望的 “人造太阳”托卡马克。它像太阳一样产生无穷、永久的清洁能源，为此，中科院SELF讲坛联合墨子沙龙邀请到中国工程院李建刚院士进行深度解读。

李建刚

中国工程院院士中科院等离子体物理研究所研究员

中国科技大学教授中国磁约束聚变专家委员会召集人

《plasma science & technology》主编

长期从事聚变研究，在超导托卡马克工程系统的设计、关键技术、建设、集成、科研等方面取得了多项重大成果。

以上是李建刚院士在SELF格致论道讲坛演讲的音频实录。

人造太阳受控的核聚变装置

什么是 人造太阳 ？托卡马克又是什么？

李建刚院士做了这样一个类比：电影《钢铁侠》里，钢铁侠胸前可发巨大光束的离子发射器其实就是一个人造太阳。

由于仿造原理是 太阳内部的热核聚变反应 ，所以称之为“人造太阳”。当把装置内的气体加热到上亿度之后，它会发生巨变进而产生巨大的能量。而这种受控的核聚变装置叫托卡马克（Tokamak），名字来源于环形（Toroidal）、真空室（Kamera）、磁(Magnet)、线圈(Kotushka)。

可大规模生产的无限量清洁能源

人造太阳有上亿度的温度，若要把它装进普通的容器里，在顷刻之间就能烟消云散。于是科学家想到一个办法—— 用磁的方法将这团上亿度的等离子体火球悬浮起来，在不与容器周边的材料接触的条件下，进行加热、控制，进而成为“太阳”。

然而，现实操作却异常复杂。

首先，悬浮起这团等离子体的火球不是普通的磁场，而是 比地球南北极的磁场还要高两万倍以上 的一个巨大磁场。

有了磁场还不够，还要考虑悬浮所需的燃料。好在，这种燃料并不难获得。李建刚院士指出，这种燃料是氢的同位素—— 氘和氚 ，它们在海水里含量大，资源无限丰富。而且聚变之后的产物就是能源中子和氦气，完全不含其他高放的废料。从这个角度来说，人造太阳作为资源来说是无限的而且绝对清洁，是可以大规模生产的。

关于 聚变电站 的原理，李院士说，首先得有一个类似笼子的磁体外壳（磁笼子），把它形成一个等离子体，用超高温物体使它加热到上亿度，从而能产生氦和中子。中子跑到包层材料中使它加热，加热之后通过水使它转换成蒸汽，通过蒸汽发电。

中国的聚变之路

过去50年，聚变的发展虽然不如计算机一样家喻户晓，但成绩还是非常可观。尤其是在一些发达国家，例如欧洲、美国和日本，他们在一些大装置上都同时实现了可控的核聚变。

其实在很多年前，中国也开始做核聚变，托卡马克最早是苏联人的发明，在90年代初期，中国用价值400万人民币的羽绒服、瓷器和上好的家具在他们手里换来了1800万卢布的托卡马克装置。我们花了一年半的时间把它全部拆掉，又花了两年的时间把它装起来，在这上面做了大量的实验，成绩很不错，在其他国家聚变反应时间只能维持2、3秒钟的时候，我们的装置能 多维持60秒钟 。

也许有人会问，为什么聚变时间这么短，只有两三秒钟？

李院士说，因为磁笼子是用常规的铜线制作的，耗能大，但未来发电不可能只在弹指之间，必须是长久的、稳定的，所以我们大胆设想， 降低温度使电阻为零，那么消耗的能量也变为零，我们便能够轻易得到聚变能量。 听起来很容易，但实际操作并不简单。

造出一个太阳？难难难，难于上青天！

科学家们遇到的第一个难点是超导。为了可以长久的、稳定发生聚变反应，就要实现电阻为零，要实现电阻为零，必须进行超导。什么是超导？就是把上亿度的磁笼子悬浮在-269度的这样一个圆环里面。

第二个难点是， 一旦聚变发生，会产生强烈的冲击波，即使被悬浮起来，它同样与周边材料有强相互作用。 所以对可控范围和时间要求务必精确到零点几毫米零点几毫秒以下，否则一旦偏心，什么都将付之一炬。

解决第一个难点，首先需要用线圈使它悬浮起来，控制它处于中心位置不偏离。其次，装置内要保持真空减少能量损失，内部一共有5层真空，类似一个超大的保温炉，这样才能实现一亿度和-269度的结合。

解决第二个难点的思路是从材料上下手。在聚变装置里面，汇集了当今世界的各种极致技术，而采用的材料，也是世界上最硬的一种合金—— 钨合金。在上亿度的空间里既要悬浮起来，还要同时防止冲击波，难度可见一斑。

30年孤岛苦钻研为什么中国一定要做？

东方超环

李建刚院士感叹道，从能源的需求上来说， 中国比任何一个国家都更加需要能源 。虽然我们没有发达国家那么雄厚的资金和研究基础，但几任国家领导人都坚持我们必须做下去。

李建刚院士最早接触到这个项目的时候，国内经济不像现在这样景气，即使在全球范围内，从事这个研究的人也很少，但在10年间，李建刚院士和他的团队还是突破了诸多难点，创造了几秒钟几百万度等离子体放电的纪录。

在九五大工程时，“人造太阳”这个提议在国内100多个提议中胜出。“人造太阳”计划要率先在全世界实现一个全超导的托卡马克—— 东方超环 。保证它能稳定持久的进行放电，中心温度比太阳内部还要高五到六倍。虽然在当时，这个计划还只是验证了实验的可行性。

只有实验可行性明显是不够的。1985年冷战时期，里根和戈尔巴乔夫共同提议要在地球上建一个人造太阳，这个提议是要验证聚变的工程可行性。经过谈判，一共有七方参加，欧盟出资45%，中国、日本、美国、韩国、印度各出资9%，总耗资100亿欧元。这是中国当时参加的最大的一个国际合作项目。

通过这个项目，现在国内的企业发展得非常好，在西安拥有了 全世界技术最先进，规模最大，产量最高的超导公司 ，一年生产150吨线圈短样，可用于满足航母起落架的需求。在山西，太钢钢铁集团现在能年产15000吨的耐强辐射不锈钢材料。虽然现在离聚变实现还有一段距离，但通过国际合作，中间过程的这些技术都能很好地应用于国民经济当中。

未来中国的聚变到底怎么做？60年内实现商用

聚变到底什么时候能实现？

李建刚院士表示，希望在十年之后建造中国自己的工程堆来演示发电，在50年到60年间能够商用化。目前已经有了初步的聚变堆设计图，它外表看起来像一只大鹏，象征着人类追求聚变的梦想，也象征着中华民族腾飞的梦想。经过今后二三十年的努力，这个中国制造的人造太阳将会冉冉升起。

李建刚院士提起，自己在上大学的时候便拥有这样一个梦想， 那就是在他有生之年造出一个人造太阳。

能源终极梦想：中国科学家“种太阳”

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