大家對“核聚變”這個詞或許比較陌生。簡單解釋一下，一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，質(zhì)量較小的原子在外界高溫高壓等特定條件下，會發(fā)生聚合反應(yīng)，生成新的質(zhì)量更重的原子，同時釋放出巨大的能量，科學(xué)家們將這一過程稱為“核聚變”。目前，核聚變已成熟應(yīng)用于氫彈的研究中，此外還有一項重要應(yīng)用就是我們本節(jié)要了解的“人造太陽”。

什么是“人造太陽”

萬物生長靠太陽。太陽已經(jīng)形成了45億年，它源源不斷地以光和熱的形式向外輻射能量，這些能量傳輸?shù)降厍蛏?，維持著水循環(huán)、大氣循環(huán)、植物光合作用等自然現(xiàn)象。太陽巨大的能量就來自核心區(qū)域持續(xù)的核聚變反應(yīng)。

然而，釋放大量能量的同時當(dāng)然少不了自身質(zhì)量的損耗。據(jù)計算，太陽每秒虧損的質(zhì)量高達430萬噸！而一頭大象也不過才5噸。因此，科學(xué)家想到，如果可以研制一種能夠?qū)崿F(xiàn)可控的核聚變反應(yīng)的裝置，使其像自然界中的太陽一樣實現(xiàn)持續(xù)的聚變反應(yīng)，就可以源源不斷地產(chǎn)生核聚變能，從而獲得一顆永不落山的“小太陽”，來克服人類日益嚴(yán)峻的能源短缺問題。這項研究也被形象地稱為“人造太陽”工程。

為什么要造“人造太陽”

目前地球上仍然以煤、石油、天然氣為主要能量來源，而它們不可再生，因此未來有枯竭的危險，此外還存在一定的環(huán)境污染；而風(fēng)能、水能、太陽能等新能源又受限于天氣或地理條件等因素，無法持續(xù)高效地提供能源。

相比之下，核聚變能作為新能源，具有以下優(yōu)點：

1.效率高，可持續(xù)。以最常見的氘（dāo）氚（chuān）聚變?yōu)槔?克氘氚聚變原料產(chǎn)生的能量相當(dāng)于燃燒8000千克汽油。而原料的來源和儲量都非常豐富——海洋中大約6500個氫原子中有1個重氫（氘），僅僅需要1升海水，就可以通過核聚變獲得300升汽油的能量。

2.安全清潔無污染。核聚變產(chǎn)物是氦（氦氣為空氣的組成成分之一, 無色無味無毒），且無放射性核廢料，對人體不會造成危害。

海水蘊藏豐富的核聚變原料

從“跟跑”到“領(lǐng)跑”——“人造太陽”在中國點亮

1998年7月，中國“人造太陽” EAST正式立項，并于2000年10月開工建設(shè)。然而，在20世紀(jì)90年代，中國聚變工程技術(shù)和超導(dǎo)工業(yè)十分薄弱，沒有研制任何相關(guān)系統(tǒng)的經(jīng)歷。雖然核聚變的原理說起來簡單，但開發(fā)核聚變能卻是對國家科學(xué)與技術(shù)實力極限的挑戰(zhàn)，因為這要求依靠人工控制極端且嚴(yán)苛的條件。

設(shè)計研發(fā)初期，“種太陽”團隊走訪了10余家大型制造企業(yè)，均因所需設(shè)備的設(shè)計精度高、制造難度大、國內(nèi)無相關(guān)經(jīng)驗等原因被告知無法加工。團隊將參數(shù)細化成簡明的工程圖紙，手把手指導(dǎo)廠家加工。歷時6年困境中摸索，團隊成功制造出EAST所需的重要組成部分,其工藝和技術(shù)指標(biāo)均達到國際領(lǐng)先水平。

此外，美國曾以核心技術(shù)為由禁售建設(shè)“人造太陽”所需的高強度零件。越是封鎖，越要超越。面對這個必須解決的難題，科學(xué)家團隊從浩瀚的文獻資料中找尋突破口，經(jīng)過數(shù)百種材料比對和上千次實驗，終于攻克了關(guān)鍵技術(shù)，打破了國外封鎖，制造出國內(nèi)無生產(chǎn)先例的大尺寸高強度核心零件，將生產(chǎn)成本降低近90%，極大節(jié)約了科研經(jīng)費。

2021年5月28日，EAST成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，而就在半年后的12月30日，EAST成功實現(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，均在當(dāng)時創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這標(biāo)志著中國在國際可控核聚變研究領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)了一項巨大突破?？蒲腥藛T稱新紀(jì)錄進一步證明核聚變能源的可行性，也為其邁向商用奠定物理和工程基礎(chǔ)。

“EAST裝置建設(shè)，瞄準(zhǔn)世界前沿，高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求地完成了國家大科學(xué)工程建設(shè)任務(wù)！”中科院等離子所所長宋云濤自豪地說道。

核聚變與核裂變

首先，從名字中的“聚”和“裂”我們不難看出，核聚變與核裂變是兩種相反的過程。前文說到，一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成?？戳饲拔牡慕榻B，相信大家對核聚變已經(jīng)有了一定的了解，下面再來介紹核裂變。

核裂變是一個原子核分裂成幾個原子核的變化。只有一些質(zhì)量非常大的原子像鈾（yóu）、釷（tǔ）等才能發(fā)生核裂變。這些原子的原子核在相應(yīng)的外界條件下會分裂成兩個或更多個質(zhì)量較小的原子核，同時放出巨大的能量，這些能量又能使別的原子核接著發(fā)生核裂變，使過程持續(xù)進行下去，這種過程我們稱作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。原子核在發(fā)生核裂變時，釋放出巨大的能量稱為原子核能，簡稱原子能。太陽的產(chǎn)能方式以及氫彈都利用了核聚變的原理，而核裂變主要應(yīng)用于核電站和原子彈。目前相比于核聚變，核裂變是可控的，因而更安全。