太阳,亿万年来为地球提供光和热,科学家们设想,如果能在地球上模仿出太阳释放能量的方式,是不是就能获得取之不尽的清洁能源了?这一设想正在我国的实验室和大科学装置中逐步成为现实,也就是被业界称为“人造太阳”的可控核聚变技术。2024年工信部、科技部等七部门发布《关于推动未来产业创新发展的实施意见》,将核聚变列为重点支持领域。在地球上建造出可以无限供能的“人造太阳”,还有多远?
可控核聚变!
“人造太阳”探索未来能源
“人造太阳”是要在地球上创造类似太阳内部的环境,模拟它发光发热的过程,并让这种反应持续稳定运行。
相比现在的核电站,这种方式能量密度更高,材料几乎取之不尽,而且放射性污染更低,安全性也更高。
2025年,我国可控核聚变研究不断传来新进展。1月,我国全超导托卡马克实验装置“东方超环”实现1亿摄氏度等离子体稳态运行1066秒,刷新世界纪录;3月,“中国环流三号”首次实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的“双亿度”运行。
与此同时,科研机构和企业也在积极探索多条技术路径,力求在不同技术方向上寻找可能的突破口。可控核聚变,正在向更高水平的可控性与稳定性迈进。
“人造太阳”怎么造?
探秘大装置BEST
我国对可控核聚变的研究始于上世纪50年代,经过几十年的探索,不仅取得了基础科研的突破,在工程技术领域,也已经走在世界前沿。在合肥未来大科学城,一个建造“人造太阳”的超级工程正在紧张施工。
总台央视记者 张春玲:这里是合肥未来大科学城,紧凑型聚变能实验装置BEST正在紧张地施工,它的目标是要在地球上第一次演示用聚变能点亮第一个灯泡。就好像是要把太阳困在笼子里,让它发电。
中国科学院合肥物质院等离子体所工程师 蔡其敏:在未来托卡马克主机系统安装的区域,未来高达1亿度等离子体的运行就在这里。在我们的装置里面,冰火两重天,1亿摄氏度的高温等离子体要与零下269摄氏度的低温共同存在一个罐体里面。
总台央视记者 张春玲:在地球上实现可控核聚变需要达到1亿摄氏度甚至更高,比太阳中心的温度还要高出数倍,地球上没有任何一种材料能够承受如此高温。
为了攻克这些难题,科学家们研发出了托卡马克装置,其工作原理是利用强磁场形成一个环形的“磁笼”,将高温等离子体悬浮在真空室中央,使其与容器壁完全隔离,从而避免高温对容器壁的破坏,实现安全稳定的聚变反应。这样的超级装置,需要一个超级工厂。
按照计划,BEST装置将于2027年底建成,之后将在世界上首次演示聚变能发电。而与BEST装置紧紧相邻的,就是建造它的工厂——“聚变堆主机关键系统综合研究设施”大科学装置,它还有一个特别的名字叫“夸父”。
中国科学院合肥物质院等离子体所工程师 蔡其敏:这些系统在市面上面大家都买不到,它都是非标准的。所以哪怕一颗螺丝钉,可能都要我们自己去设计、自己去加工、自己去测试、自己去运行。
从空中俯瞰这个超级工厂,你会发现,这个工厂由14栋单体建筑构成,每一栋都是某一关键领域的超级实验室,这里一共正在验证和设计制造着与可控核聚变相关的19个子系统。
这是强流直线等离子体装置“赤霄”,每平方米每秒钟可极速喷射出10的24次方——即亿亿亿个粒子,一次可连续运行24小时以上,对新研制的“人造太阳”壁材料进行充分检测。
这是给人造太阳加温的“锅炉”——射频波加热系统和中心束加热系统,它们同时作用,相当于数万台微波炉同时工作。
这里正在制备的是用于产生强磁场的超导磁体,它们可以产生地球磁场十多万倍的磁场信号。别看它们现在有几十厘米粗,实际上,它们是由比头发丝还细的超导线一点点缠绕出来的。
而这个像橘子瓣一样造型的装置,叫八分之一真空室,它高度达到19.5米,有六层楼那么高,重达300吨。未来,上亿摄氏度的高温等离子体就是在这个舱室里面悬浮。这些研究设施,不仅可以生产出BEST核心部件,也可以制造出全球最先进的聚变装备。
中国科学院合肥物质院等离子体所工程师 蔡其敏:我们每一个平台,对标的都是全世界最领先的这些实验室,而且我们的参数比他们还要高。所以未来别人能做的我们也能做,别人不能做的,我们还能做。
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