“人造太陽”掀起綠色能源革命 溫度升高到1億度

　　位于安徽合肥的“人造太陽”裝置

　　位于安徽合肥的“人造太陽”裝置

近日，由中國科學院等離子體物理研究所自主研制的全超導托卡馬克實驗裝置(俗稱“人造太陽”)正在接受技術升級。它是目前世界上唯一能達到持續400秒、中心溫度大于2000萬攝氏度實驗環境的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。正在進行的升級計劃達到“人造太陽”中心溫度1億攝氏度、延續時長1000秒的科學目標，以解決上億攝氏度高溫等離子體連續運行的世界難題，為中國參與的國際合作項目——國際熱核聚變實驗堆的400秒長脈沖實驗奠定了基礎。

人造太陽是個啥？

國際熱核實驗反應堆(ITER)計劃也被稱為“人造太陽”計劃，由歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度等7方共同參與，其目的是借助氫同位素在高溫下發生核聚變來獲取豐富的能源。其原理類似太陽發光發熱，即在上億攝氏度的超高溫條件下，利用氘、氚的聚變反應釋放出核能。核聚變燃料氘和氚可以從海水中提取，核聚變反應不產生溫室氣體及核廢料。由于原料取之不盡，不會危害環境，這一計劃被寄希望解決未來的能源問題。

制造一個裝置，通過受控熱核聚變反應獲得無窮盡的新能源。這就相當于人類為自己制造一個或數個小太陽，源源不斷從核聚變中得到能量。

1939年，美國物理學家貝特證實，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞，結合成一個氦原子核，并釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發現，揭示了太陽燃燒的奧秘。

ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的“超導托卡馬克”。作為聚變能實驗堆，ITER計劃把上億攝氏度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達837立方米的磁場中，產生50萬千瓦的聚變功率，持續時間達500秒。

20世紀50年代初，蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念。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，于1954年建成了第一個磁約束裝置。他將這一形如面包圈的環形容器命名為托卡馬克(tokamak)。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離了的等離子體。

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。

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。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，目前，法國、日本、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采用超導技術，屬于部分超導。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準穩態運行的裝置，在放電時間長達120秒的條件下，等離子體溫度為2000萬攝氏度，中心粒子密度每立方米1.5×1019個。