中國建了一個「人造太陽」,它到底能做什麼?

中國建了一個「人造太陽」,它到底能做什麼?

由於核聚變原理和太陽發光發熱原理相似,因此像 HL-2M 這樣的托卡馬克裝置,在中國也被稱之為「人造太陽」。

中國環流器二號 M ,圖片來源人民日報

什麼是「托卡馬克」?

托卡馬克(Tokamak)是俄語「磁線圈環形真空室」的縮寫,最早由蘇聯科學家在 20 世紀 50 年代提出。本質上,托卡馬克是一個由封閉磁場組成的「容器」,形狀就像一個放倒的輪胎。它被發明出來,是為了容納溫度極高的核聚變反應。

要實現核聚變,得有高溫高壓的環境。太陽中心溫度「只」有 1500 萬度,但由於引力作用,壓強超過 2400 億個標準大氣壓,聚變反應可以自然而然地發生。

但對地球來說,事情就沒有這麼簡單了。核武器氫彈的原理就是核聚變,但這種聚變反應難以控制。真正在現實中應用,需要可控的聚變反應。在地球上,難以創造高壓環境,因此只能透過提高溫度到 1 億度左右,來實現可控聚變反應。

這就引發了一個問題,什麼樣的容器才能耐受如此高的溫度?20 世紀 50 年代,前蘇聯科學家提出了「磁約束」的概念,並且基於這個概念打造了環磁機(即托卡馬克)。

托卡馬克中央是一個環形的真空室,外面圍繞著線圈。科學家們在真空室內激發並維持一個強大的環形電漿體電流。這個電流與外麵線圈電流一起,產生一定的螺旋型磁場,將其中的電漿體約束住,使其與外界儘可能地絕熱。

這樣,即使將電漿體加熱到上億的高溫,也不會破壞「容器」,因為它們一直被托舉在空中。

根據該機構的聚變科學所副所長鐘武律在接受採訪時表示,它是中國目前規模最大、參數最高的先進的托卡馬克裝置。其體積是目前國內現有裝置的兩倍以上,電漿體的電流能力可以提高到 2.5 個兆安培,電漿體離子的溫度可以達到 1.5 億度,相當於太陽核心溫度的 10 倍。

HL-2M 建成後,進行了放電實驗。這是為了使 HL-2M 真空室內的氣體變成電漿體態,最終讓足夠多的電漿體加熱到 1 億攝氏度以上。

在 HL-2M 之前,中國已經建成了多個托卡馬克裝置,比如東方超環(EAST)和 HL-2M 的「前任」中國環流器二號 A(HL-2A)。

還有更大的「人造太陽」?

在 21 世紀,能源問題是全人類面臨的主要問題之一。2020 年世界人口已經達到了 78 億,並且這個數字還在不斷增長,而地球上煤炭、石油和天然氣等不可再生的化石燃料資源,卻是有限的。一邊是不斷增加的人口,另一邊是不可再生的能源,人類需要一種新的能源供給方式。

核聚變被視為解決能源問題的方案之一。

目前世界規模最大的核聚變反應堆是位於法國南部卡達拉舍的「國際熱核聚變實驗堆」計畫(ITER),聚變功率高達 5 億瓦特(500 MW),相當於 10 平方公尺的太陽表面。

ITER 俯視圖

這個計畫由七個成員實體共同資助和執行,分別是中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國。2020 年 7 月 28 日,ITER 重大工程安裝啟動儀式在法國舉行。

這個「人造太陽」計畫預計在 2025 年基本組裝完成,2035 年整體建設完成進入全負荷實驗階段,並在 2050 年進行商業投產。

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