“人造太陽”有多硬“核” ？

可控核聚變，作為面向國家重大需求的前沿顛覆性技術(shù)，是能夠最終解決人類能源問題的重要途徑之一。我國自主設(shè)計研制的大科學(xué)裝置、新一代“人造太陽”——中國環(huán)流三號（HL-3）取得了令人矚目的成就，為未來的清潔能源開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

而核裂變作為目前廣泛應(yīng)用的核能技術(shù)，也在為人類提供著巨大的能源支持。核電站完善的安全保護措施，確保了核裂變過程的穩(wěn)定與安全。下面，就讓我們一起走進核聚變與核裂變的世界，探索它們背后的奧秘，以及它們?nèi)绾斡绊懼覀兊奈磥怼?/p>

分裂？聚合？

No.1

核裂變

No.2

核聚變

聚變“新星”

——新一代“人造太陽”

近年來，我國核聚變裝置運行不斷取得突破，達到國際領(lǐng)先水平。中國環(huán)流三號（HL-3）是我國首個具備開展堆芯級等離子體物理實驗的聚變裝置，由于可控核聚變能源產(chǎn)生能量的原理與太陽發(fā)光發(fā)熱的原理一樣，它也被稱為新一代“人造太陽”。

No.1

“人造太陽”如何工作

1

產(chǎn)生等離子體

將含有氘、氚的氣體燃料注入“人造太陽”的真空室內(nèi)，并將其加熱到上億攝氏度，使氣體中的原子失去電子，形成由自由電子和離子組成的等離子體（高度離子化而整體呈電中性的物質(zhì)狀態(tài)，是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的第4態(tài)）。

2

磁場約束

在托卡馬克裝置中，等離子體電流和外部磁體線圈共同作用，會產(chǎn)生螺旋形的強大“磁籠子”，將高溫等離子體約束在其中，使其穩(wěn)定存在。

3

維持聚變反應(yīng)

在“磁籠子”約束下，當(dāng)?shù)入x子體的溫度、密度和約束時間這3個參數(shù)的乘積，即聚變“三乘積”達到一定值時，氘、氚之間的熱運動速度足夠大，能克服它們之間的電荷排斥力，發(fā)生聚合反應(yīng)，生成氦原子核和中子，并釋放出巨大的能量，從而實現(xiàn)持續(xù)的核聚變反應(yīng)。

2024年6月，中國環(huán)流三號項目在國際上首次發(fā)現(xiàn)并實現(xiàn)了一種先進磁場結(jié)構(gòu)，對提升核聚變裝置的控制運行能力具有重要意義。近期，中國環(huán)流三號150萬安培等離子體電流高約束模運行，達到國際領(lǐng)先水平，等離子體電流聚變“三乘積”等核心參數(shù)再上新臺階，標(biāo)志著我國磁約束核聚變研究向堆芯級高性能聚變等離子體邁出重要一步。

No.2

大規(guī)模利用核聚變發(fā)電

需要突破哪些技術(shù)難關(guān)

1

難關(guān)一：溫度

聚變能是宇宙的能源，太陽猶如一個巨大的核聚變反應(yīng)裝置，不斷地向外輻射能量，向地球輸送能源。太陽之所以能持續(xù)為地球提供光和熱，關(guān)鍵就在于太陽內(nèi)在源源不斷地進行核聚變，若我們要利用“人造太陽”完成一次核聚變，裝置的初始點燃反應(yīng)至少要達到1億攝氏度（太陽核心溫度的6倍以上），后續(xù)的運行還要消耗大量額外能量，并且設(shè)備復(fù)雜、維護難度大、成本極高。

2

難關(guān)二：材料

目前，如何讓等離子體保持穩(wěn)定狀態(tài)，如何研制出能承受高能中子轟擊及高熱量負荷的材料，如何生成足量的氚以滿足聚變帶來的消耗，是科研人員在磁約束核聚變領(lǐng)域面臨的3大科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)。

因此，要想在日常生活使用核聚變產(chǎn)生的電能，人類還有很長的一段路要走。

No.3

低碳先鋒 讓地球“喘口氣”

核能的能量密度是化石能源的幾百萬倍，少量燃料就能發(fā)出大量電。并且，核電幾乎不受氣候、晝夜等因素影響，現(xiàn)核電站換料周期長達18個月，年利用小時數(shù)超過7000小時，是“零碳”能源體系的基荷電源。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，核能是隱形的“守護者”。放射診斷設(shè)備利用核技術(shù)，幫助醫(yī)生精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)身體內(nèi)部的病變；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，核能化身為“智慧農(nóng)夫”，借助輻射育種技術(shù)，能夠改變農(nóng)產(chǎn)品作物的基因結(jié)構(gòu)，提高其生長效率和適應(yīng)能力，減少農(nóng)藥和化肥的使用，推動綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。

未來某天，也許以核電為供應(yīng)能源的燈會照亮全球的各個角落，并讓天空更加澄澈，讓地球不用去流浪……如果你是未來能源規(guī)劃師，你認為核聚變實現(xiàn)商用后，最想用它改變生活的哪個方面？是打造“無限電力城市”，還是驅(qū)動星際探索？歡迎在評論區(qū)寫下你的“聚變夢想”！

責(zé)任編輯 | 趙青云

運營編輯 | 趙青云 李佳桐（實習(xí)）

質(zhì)量審核 | 李雅欣 王維嘉

圖片來源 |《知識就是力量》雜志，原文《硬“核”通往無垠未來》，撰文 / 陶奇?zhèn)ィㄖ泻撕穗娺\行管理有限公司(秦山核電)、柴子曈（中國礦業(yè)大學(xué)），原文有刪改，原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請注明來源。

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