中国核聚变：“人造太阳”照亮新世界

在此前的文章中

我们曾经介绍过人类在核能上的发展

相较于其它的能源选择

核能的成本以及功能水平都是非常有优势的

从根本出发，核能转化为能量的过程

都是要通过核聚变来实现的

（部分文章内容来源于网络）

所谓核聚变，又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。

这是一种核反应的形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。核聚变是核裂变相反的核反应形式。科学家正在努力研究可控核聚变，核聚变可能成为未来的能量来源。核聚变燃料可来源于海水和一些轻核，所以核聚变燃料是无穷无尽的。 人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。

那么核聚变到底能达到怎样的热量呢？

想想太阳。我们的局部恒星有很多超大的引力可以应用在核聚变过程。它的内部产生的压力相当于33.3万个地球的质量和1500万摄氏度（2700万华氏度）的温度。这就是核聚变发生的熔炉。在地球上，由于重力要小得多，你需要更高的温度：例如1亿摄氏度。加州Foothill 的TAE科技公司的首席执行官Michl Binderbauer说，要达到这个目标，第一步就是加热气体并将其转化为等离子体。“这是通过增加更多的能量来实现的，所以在某个时刻，组成原子的离子和电子会分解成一团电荷”他说，“事实上，宇宙的大部分都处于我们称之为等离子体的状态。”但是这个过程在历史上也并非是一步到位的。

核聚变发展史

真正意义上的核聚变研究已经走过了数十年历史，期间科学家提出了多种方法来控制核聚变。但其实关于核聚变的讨论可以追溯到更早以前。早在１９世纪６０年代，核聚变就已经成为科学家经常争论的话题。但当时人类对核聚变，甚至对物质本质的了解都少之又少。再过了大约７０年，到了２０世纪３０年代，科学家知道所有物质都由原子构成，这些原子都拥有一个由带正电的质子和中性的中子组成的原子核（氢是唯一一个特例，它的原子核只有一个质子，没有中子）。这些知识为日后核聚变的研究奠定了很好基础。

１９３８年，物理学家汉斯·贝特意识到，太阳中心的压强必定非常巨大，足以克服通常情况下会让带有同种电荷的离子相互分离的排斥力，而把一个个氢原子核挤压在一起，并发生反应，释放巨大能量。贝特写出了氢离子聚变的４步链式反应。反应最终产物的质量略低于反应前各成分质量的总和，“消失”的质量转换成能量（根据爱因斯坦的E＝mc２公式）提供给太阳。

理论上讲，一加仑（３.８升）重水（氧化氘）能够产生的核聚变能量与一艘超级油轮载满的石油相当，而且反应后的剩余物质仅是少量氦气，但事实却远非如此简单。２０世纪５０年代初，美国普林斯顿大学教授莱曼·斯皮策设计了“仿星器”，提出了聚变反应堆的第一种设计方案。根据斯皮策当时的估计，他的仿星器可以产生１５万千瓦电力，足够１５万户家庭使用。他的设计基于一个事实：在聚变所需的高温下，所有电子将从自己的原子中剥离出来，形成带电粒子“汤”，后被称为等离子体，可以用磁场约束。斯皮策的仿星器本质上就是一个可以约束等离子体的磁瓶，哪怕等离子体被加热到了几百万摄氏度的高温。可惜，当时斯皮策以及和他一起研究的科学家未能完全了解等离子体，而且等离子体十分不好掌控。在同一年代，即１９５０年，苏联科学家安德烈·萨哈罗夫设计了托卡马克用来约束等离子体。

到了１９６９年，西方科学家前往莫斯科研究萨哈罗夫设计的托卡马克。他们发现它产生的等离子体比仿星器温度更高、密度更大。从此托卡马克开始成为约束核聚变研究的主流。控制核聚变产生的高能量等离子，并让其为己所用便成为了人类研究核聚变的最早方法。在此后的６０年里，科学家努力用越来越强大的磁瓶去驯服等离子体。

２０世纪７０年代能源危机发生时，通往核聚变的另一条平行的研究计划也诞生了，科学家希望这条新的途径能够避免磁约束等离子体中遇到的一些问题。这些技术用许多束激光去压缩和加热一个由氘和氚构成的靶丸。这项研究在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室展开，一开始使用的只是一个能够发出两束激光的简单试验台。激光功率的提升使试验设备不断升级，１９７７年启用“湿婆”激光器，１９８４年又启用了“新星”激光器。到了１９９７年，新激光器开始建造，这就是美国国家点火装置（NIF）。NIF于２００９年５月建成完工，轰动一时。今年晚些时候，NIF将开始氘－氚聚变实验，这是人类探索核聚变的又一个重要里程碑。

中国核聚变

在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二战时，原子弹诞生了。人类开始将核能运用于军事、能源、工业、航天等领域。美国、俄罗斯、英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的研究。中国大陆的核电起步较晚，80年代才动工兴建核电站。中国自行设计建造的30万千瓦（电）秦山核电站在1991年底投入运行。大亚湾核电站于1987年开工，于1994年全部并网发电。

中国国家发展改革委员会正在制定中国核电发展民用工业规划，准备到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时，核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说，到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。

从核电发展总趋势来看，中国核电发展的技术路线和战略路线早已明确并正在执行，当前发展压水堆，中期发展快中子堆，远期发展聚变堆。具体地说就是，近期发展热中子反应堆核电站；为了充分利用铀资源，采用铀钚循环的技术路线，中期发展快中子增殖反应堆核电站；远期发展聚变堆核电站，从而基本上“永远”解决能源需求的矛盾。

中国“小太阳”发动

2020年12月4日14时02分，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电，标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。

“核聚变由氘、氚离子聚合成氦，聚合中损失的质量转化为超强能量，这和太阳发光发热原理相同，所以可控核聚变研究装置又被称为‘人造太阳’。而HL-2M是我国规模最大、参数最高的‘人造太阳’。”

可控核聚变需要超高温、超高密度等条件，多采用先进托卡马克装置，通过超强磁场将1亿摄氏度的等离子体约束在真空室内，达到反应条件。目前全球在共同探索其实现方法，建造模拟实验平台。HL-2M是我国自主知识产权的模拟核聚变研究装置。

该装置采用更先进的结构与控制方式，等离子体体积达到国内现有装置2倍以上，等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可达1.5亿度，能实现高密度、高比压、高自举电流运行，是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置，也是我国消化吸收ITER（国际热核聚变实验堆计划）技术不可或缺的重要平台。

其实核聚变并不神秘，只要将氢的同位素氘和氚的原子核无限接近，使其发生聚变反应，就能释放出巨大能量。其原理看似简单，但要让聚变反应持续可控，可以说难于上青天。因为要实现可控核聚变反应，必须满足三个苛刻条件：

一是温度要足够高，使燃料变成超过1亿摄氏度的等离子体；

二是密度要足够高，这样两原子核发生碰撞的概率就大；

三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。

为了达到这三个条件，目前，国际上大多数国家都采取建造托卡马克装置的形式。这是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电时，托卡马克内部会产生巨大的螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

多年来，我国已建成中国环流器—号、二号装置、“东方超环”等一批大科学装置，掌握了“人造太阳”的部分关键技术，但离让聚变反应持续可控的目标仍有不小的差距。事实上，这对世界各国来说都是个巨大的挑战。1985年，国际热核聚变实验堆（ITER） 计划被推出，集全世界力量攻克难关。该计划吸引了中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方参与，是当今世界最大的科学工程之一，也是我国第一次以全权、平等伙伴身份参加的大型国际科技合作项目。

ITER计划实施后，中国核聚变如何发展？这成为中国核聚变研究者必须直面的问题。当时，中国的托卡马克装置已难以满足核聚变研究的要求，他们亟须性能更高、参数指标与国际先进水平媲美的平台做支撑。

中国可控核聚变研究与世界几乎同步。自1955年钱三强、李正武等老一辈科学家提议开展“可控热核反应”以来，我国在聚变领域取得了一系列重要科研成果。其中，最为典型的是1984年在四川乐山建成的中国环流器一号（HL-1），标志着我国可控核聚变研究从原理探索进入规模化实验研究新阶段。从此，中国核聚变研究由小到大、由弱到强，进入高质量发展的新阶段。2002年，由核西物院建造的中国环流器二号A（HL-2A）成为这一时期的代表，这也是我国第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置。

而此次的HL-2M装置是HL-2A的改造升级装置。在HL-2M装置建设过程中，核西物院联合国内多家研制单位，在装置物理与结构设计、特殊材料研制、材料连接与关键部件研发、总装集成等方面取得了多项突破。而此次中国的“小太阳”成功运行，也就意味着中国的核聚变水平，已经向世界级又迈进了一个新的台阶，为中国发展的未来能源打下了更为坚实的基础。

在对辐射较强的放射性物质进行操作时

为防止放射性污染扩散，保障操作者及周围环境的安全

需要在专门设计的真空手套箱内进行操作。

为此手套箱需要具备有效屏蔽放射性物质的辐射

以及对放射物质操作过程中产生的放射性气体的辐射能力

（核工业核级过滤器机组）

核工业生产手套箱

认准伊特克斯品牌