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指挥控制中心里的“中国环流三号”模型
“硬核”科幻电影里的元素，在现实中能找到原型吗？以电影《流浪地球2》中的行星发动机为例，其原理是“烧石头”，产生强大推力，让重达60万亿亿吨的地球逃离太阳系，前往比邻星开启流浪之旅。
科幻照进现实。电影里的行星发动机，其原理正如新一代人造太阳实验装置的工作原理。近日，记者实地探访中核集团核工业西南物理研究院，这里有一群“造太阳”的人。“人类一直希望建造‘人造太阳’，利用可控核聚变反应来获得源源不绝的清洁能源。”中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所所长钟武律在接受记者专访时表示，核聚变能一旦成功应用，有望从根本上解决人类对能源的需求问题。
就在不久前，人造太阳科研团队自主设计、建造的新一代人造太阳“中国环流三号”，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。这一重大进展再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步，是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑。
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“造太阳”的人和他的第二个“太阳”
当清晨的第一缕阳光照进核工业西南物理研究院聚变科学所时，新一代人造太阳的“家”开始热闹起来。这里就像一个大脑的“中枢神经”系统，大屏幕上的数据像一个个跳动的脉搏，坐在屏幕前，“人造太阳驾驶员”们操控、记录、观察着“中枢神经”传来的一串串实验数据和图像。
“人造太阳并不是真的造一个太阳，而是利用太阳发光发热的核聚变原理，来解决人类能源问题。”在钟武律的印象中，这是第N次被问到“已经有一个太阳，为何还要造一个太阳”。“造太阳”的最终目的是通过可控核聚变，解决人类对能源的需求问题，比如发电，获得源源不断的清洁能源，从而造福人类。换句话说，这种以探索清洁能源为目的的可控核聚变装置，被形象地称为“人造太阳”。
眼前这个看上去像被人掰开的“橘子”瓣造型装置，就是新一代人造太阳“中国环流三号”托卡马克装置等比例缩小的模型。若把装置想象成闭合状态，就像一个饱满的“甜甜圈”造型。
整个装置的中间是一个环形超高真空容器，也就是人造太阳的心脏——真空室，里面真空度可达10的-6次方帕量级，内部会产生强磁场，里面的带电粒子会受到磁场的约束和控制，而这种强磁场是通过向线圈通电进而产生的“磁笼子”，这就是磁约束核聚变。钟武律解释，在受控制状态下，等离子体的形状可呈现多种形态。
“其实就是在一个大型环状真空容器里面注入气体，然后把气体电离成等离子体，再利用强磁场把带电粒子控制住，再进行加温加压，来达到核聚变反应的条件。”钟武律介绍，要在地球上实现核聚变反应，条件非常苛刻，比如等离子体的离子温度需要达到1亿摄氏度以上，要知道太阳的核心温度只有1500万至2000万摄氏度，要在地球上建造一个用来盛装比太阳温度还要高接近10倍的高温反应物的容器，其难度可想而知，目前地球上没有任何材料可以把1亿摄氏度的高温等离子体直接包裹起来，而人造太阳就是这样一个容器。
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控制“人造太阳” 产生源源不绝的清洁能源
核聚变反应就是两个质量较轻的原子核聚合在一起形成一个质量较重的原子核的过程，在这个过程中会发生质量的亏损，根据爱因斯坦质能方程式E=mc2，这部分亏损的质量乘上光速的平方就会以大量能量的形式释放出来。在地球上，已经实现了核聚变反应，氢弹爆炸就是核聚变反应。不过，钟武律解释，氢弹爆炸属于不受控制的核聚变，而他们希望将这部分能量变得可控，让它缓慢、持续地释放。
核聚变反应的主要原料氘可以从水中提取，在地球上储量极为丰富，以海水的总量来估计的话，目前地球上现存的聚变燃料可以供人类使用上百亿年。而且，根据测算，从1L海水中提取出的氘，经完全聚变反应后释放的能量相当于300L汽油。核聚变不会产生放射性核废料，对环境十分友好。而且从安全性角度来说，由于核聚变反应条件十分苛刻，任何一个条件不满足，反应会立刻停止，不会发生失控。所以核聚变是人类认识到的可以解决未来能源问题和环境问题的终极手段。
要实现可控核聚变能必须满足三个条件，也就是所谓的“聚变三乘积”。钟武律解释：首先，是1亿摄氏度的高温。只有温度特别高，原子核才会“跑”得更快。其次，是等离子体的密度要足够高，这样原子核之间碰撞发生聚合反应的概率就会提高。最后就是要等离子体自我“保温”的时间——即能量约束时间足够长，通常是秒量级。
未来可控核聚变能一旦实现应用，人类能源问题有望得到彻底解决。相信电费可能会大幅度下降，海水淡化、深空探测、星际飞船等这类需要大量耗能的工程，将得到快速发展。
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从“0”到“1” 背后的“中国智慧”和“中国方案”
中国的可控核聚变研究始于上世纪50年代，公开资料显示，早在1955年，“两弹一星”功勋奖章获得者钱三强和核物理学家李正武等科学家便提议开展中国的“可控热核反应”研究，这与国际社会关注核聚变几乎同步。
1984年，中国环流一号（HL-1）的建成，是中国核聚变研究史上重要的里程碑。2002年中国建成第一个具有偏滤器位形的先进托卡马克装置——中国环流二号（HL-2A）；2006年，世界上第一个全超导托卡马克装置“东方超环”（EAST）首次等离子体放电成功；如今，中国环流三号（HL-3）托卡马克装置，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录，成为我国核聚变能开发进程中的重要里程碑。中国的磁约束聚变研究也在不断发展和进步。
眼前，这个高约3层楼，全身布满金属零件、管线的装置，正是新一代人造太阳“中国环流三号”。它的成长过程，是科学家们一次次填补国内相关领域空白、经历上万次实验的励志故事。
国际上也在紧锣密鼓地建造国际最大“人造太阳”——国际热核聚变实验堆（ITER）计划，ITER是目前规模最大、全球影响最深远的国际合作项目之一。我国在2006年以平等伙伴身份加入该计划，承担了其中约9%的制造任务。2016年中核集团成功研制的ITER超热负荷第一壁半原型部件在国际上率先通过认证，也让中国在这个技术上达到世界领先水平。2023年11月，中国完成最后一批ITER磁体支撑产品的制造交付，按时兑现国际承诺。
科研工作是一项永无止境的探索和创新，钟武律说：“未来我们也将继续在这条路上奋进拼搏。”（成都商报-红星新闻记者 赵雨欣）
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发表于 2023-12-15 19:30:44
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