硬核“人造太阳”，在地球上也能放晴

本文来自微信公众号：Hi放晴公园（ID：hisunshinepark），作者：崴崴Way，题图来自：《太空旅客》

今天是2022年2月9日星期三，今天你的心情放晴了吗？

今天，我们就来讲讲关于太阳的故事。

不知道大家小时候在学校，老师有没有重复过一句话：“万物生长靠太阳。”

地球上很多生物的生长和繁衍都需要物质和能量的供应，而这些都离不开太阳来提供所需要的能量。

太阳的表面温度大概在6000摄氏度，内核温度大约有1500万摄氏度。它就像一个熊熊燃烧的大火球，每秒钟可散发出相当于1亿亿吨煤炭完全燃烧产生的能量。

太阳之所以能产生这么大的能量，是因为它的内部有持续不断的核聚变反应。

最近几年，太阳能被作为一种新型的清洁能源，也越加被重视起来，我们也见到了各种各样收集和利用太阳能的技术和产品。

但是它的使用还是受到天气和昼夜的影响，能源的利用率也不高。

于是很自然的，科学家们就会去想：不如弄一个人造太阳吧？

支撑太阳内部核聚变反应的主要原材料氘，在地球上的储量极其丰富。

根据测算，从1升海水中提炼出的氘，经过核聚变反应后释放的能量相当于300升汽油燃烧的能量。而海洋中蕴藏着约40万亿吨氘，理论上用于聚变反应释放的能量足够人类使用上百亿年，几乎是无穷无尽的。

核聚变过程的简单示意

核聚变的原理，是由质量比较小的原子——比如氢的同位素氘、氚，在极高温条件下，核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核相互碰撞聚合，生成新的质量更重的原子核氦。

由于质量亏损和质能转换，就会释放巨大的能量。

简单来说，地球上“最容易”实现氘氚核聚变反应的是氦和携带能量的中子，而氦是非常清洁的。

这是一种清洁能源，没有碳排放，没有放射性废料，也不会出现燃料棒熔断的灾难，比风能和太阳能更稳定，被认为是一种理想的“终极能源”。

所以，模仿太阳聚变反应原理造一个“太阳”，可能是解决人类能源危机的最佳方案。

刘慈欣出版过一本科幻小说叫《中国太阳》，讲的就是一个来自农村的小伙儿水娃不断奋斗，借助“中国太阳”工程成为了深空宇宙的开拓者，为人类解决能源问题的故事。

《中国太阳》 刘慈欣

从上世纪50年代开始，世界科学家们就已经开始了在可控核聚变领域的研究。

目前在中国，真的有“人造太阳”，而且有两个：

一个在安徽合肥西郊“科学岛”上的中国科学院合肥物质科学研究院里面，它是有着“东方超环”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（简称EAST）；另一个是在四川成都中核集团核工业西南物理研究院的中国环流器二号M装置（HL-2M）。

全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）

托卡马克是从俄语翻译过来的，又叫环磁机，是一种用磁约束来实现磁约束巨变的环形容器。

1994年，中国第一个圆截面超导托卡马克核聚变实验装置“合肥超环”（HT-7）研制成功。

中国成为了俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家，也是中国建成并投入运行的第一个超导托卡马克装置。

它也是我们上面提到的EAST的前身。EAST实验装置的主体部分高11米，直径8米，重400多吨。

我们站在地上看，感觉它像一个巨大的罐子或者是大锅炉，不过中国工程院院士李建刚觉得，它就像我们吃的甜甜圈一样。

它有真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部分，四周布满了大大小小的辅助加热、诊断、抽气和冷却装置。

整个设备的零件数量相当于5架波音777飞机的零件总和。

而且拥有“超燃”内核——超高温、超低温、超高真空、超强磁场、超大电流等极端环境“熔于一炉”。

中国环流器二号M装置（HL-2M）

人造太阳真的很难吗？

事实上，想要实现我们之前提到的聚变反应，首先温度要达到1亿摄氏度以上，使聚变燃料完全电离，并在保证等离子体密度的前提下，让高温等离子体维持相对足够长的时间，才可能释放出足够多的能量。

托卡马克的高温物质，很像一群正在嬉戏打闹的淘气孩子，很难控制。

温度、密度、时间这三个要素缺一不可，相互协调到最佳状态，才能实现稳态约束。

上亿摄氏度是个什么概念呢？

它相当于太阳核心温度的6.67倍。要实现这么高的温度，科学家们采用了微波、中性束等多种加热手段。

如果说我们一般家用微波炉的功率时500瓦左右，EAST总功率有34兆瓦，也就相当于6.8万台家用微波炉一起加热。

工作人员在EAST内部

目前地球上最耐高温的金属材料是钨，它的熔化温度是3000多摄氏度。

那用什么来承载上亿摄氏度的高温等离子体呢？

科学家们的方法，是用磁场做成“笼子”。

EAST由16个纵场线圈、14个极向场线圈构成，产生的磁场强度是地球磁场强度的近7万倍。

这样就可以把那团上亿度的火球悬浮起来，所有电离了的等离子体只能沿着磁力线运动，不让它们和周边的任何容器材料接触，就能够保护装置材料不被烧毁。

为了达到强磁场，“人造太阳”还需要超过12000安培的超大电流，强度是普通家用空调的数千倍。

承载这么大电流的线圈要在零下269摄氏度的超低温环境下工作。而这个环境就在距离1亿摄氏度高温约1米远的地方。

为了隔热，就需要有大约地表气压一千亿分之一强度的“超高真空”。

正在运转的“人造太阳”

超高温”和“超低温”共存，“超强磁场”和“超大电流”并行。这就是人造太阳的工作环境。

在2021年12月31号的时候，EAST实现了1056秒的的长脉冲高参数等离子运行。这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

希望这方面的技术可以不断推进，为人类解决能源问题提供解法。这才是真的让地球享受持续的放晴呀。

这就是今天的硬核·放晴早安，祝你拥有放晴的一天。我是崴崴。我们明天继续。

本文来自微信公众号：Hi放晴公园（ID：hisunshinepark），作者：崴崴Way