隨著能源需求的飆升和環(huán)境污染問題的加劇，人類對于清潔能源的追求愈發(fā)迫切，而核聚變能將自然界可再生資源轉(zhuǎn)化成巨大能量，受到了全球科學(xué)家的關(guān)注。中國合肥的人造太陽屢次刷新記錄，這項技術(shù)似乎正處于飛速發(fā)展中，商用核聚變還有多遠(yuǎn)呢？
人造太陽的原理與技術(shù)
核聚變反應(yīng)是在高溫、高壓的環(huán)境下將輕元素如氘、氚等原子核聚合成較重的原子核，這一過程會伴隨著能量的大量釋放。太陽就是一個宇宙中自然存在的核聚變反應(yīng)堆，通過核聚變產(chǎn)生的熱量支撐地球上的生命活動。
現(xiàn)有的人造太陽就是試圖通過機器模擬太陽的核聚變，以實現(xiàn)在地球上產(chǎn)生巨大能量的技術(shù)。核聚變主要是使用氘和氚，這些元素在地球上儲量很大，且核聚變產(chǎn)生的能量密度高、環(huán)境影響小，被認(rèn)為是應(yīng)對即將到來的能源危機的理想選擇。
然而實現(xiàn)核聚變需要解決一系列技術(shù)難題，如高溫高壓條件下的等離子體約束、核聚變產(chǎn)物的處理等。目前，磁場約束技術(shù)是實現(xiàn)核聚變這一過程的主要途徑，其中托卡馬克就是一種典型的人造太陽。
通過創(chuàng)建高強度的磁場和超高溫度的環(huán)境，將等離子體限制在托卡馬克裝置內(nèi)，然后通過高功率加熱裝置不斷加熱等離子體，等到溫度達到一定的標(biāo)準(zhǔn)后，產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。如今全球多個國家正在研發(fā)托卡馬克裝置，以期實現(xiàn)核聚變的商業(yè)應(yīng)用。
合肥人造太陽裝置的突破與成就
合肥人造太陽是我國自主研發(fā)的全超導(dǎo)托卡馬克裝置，作為中國在核聚變領(lǐng)域的重要實驗設(shè)施，自2003年啟動研發(fā)以來，就一直處于世界先進水平。在全球同類實驗設(shè)施中，這一裝置的建造技術(shù)和成果產(chǎn)出均處于領(lǐng)先地位。
該裝置的總重量達到400多噸，直徑約8米，由16個超導(dǎo)縱場磁體和12個極向場超導(dǎo)磁體組成，其磁場強度、磁通量、等離子電流等技術(shù)指標(biāo)均令世界為之驚嘆。有這些關(guān)鍵參數(shù)的加持，裝置在形成的溫度和高溫能持續(xù)的時間兩方面均表現(xiàn)出極高的性能。
合肥的人造太陽以磁場約束和真空絕緣的方式，將高溫等離子體管控在一個環(huán)形容器內(nèi)，這一技術(shù)使得裝置在溫度和持續(xù)時間兩個方面屢次刷新紀(jì)錄。2016年2月，就實現(xiàn)了等離子體5000萬攝氏度下持續(xù)進行等離子體放電102秒的記錄。
為了進一步提升裝置性能，中國科學(xué)家對內(nèi)壁使用的材料、控制設(shè)施和加熱裝置等進行升級改造。2021年實現(xiàn)1.2億攝氏度下運行保持101秒，僅僅兩年后，又成功實現(xiàn)了長達403秒的穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體操作，為全球核聚變技術(shù)的發(fā)展做出了巨大貢獻。
商用核聚變的挑戰(zhàn)
核聚變需要的元素資源豐富、制備過程不產(chǎn)生有害氣體，是負(fù)面影響極小的環(huán)保能源。然而要將核聚變從實驗室推向商用領(lǐng)域，仍面臨著許多挑戰(zhàn)。從成本上來說，如何高效率低損耗地從海水中提取足量的氘和氚作為燃料，就是一個亟待解決的經(jīng)濟和技術(shù)難題。
其次是人造太陽的制造尺寸問題。目前的核聚變實驗裝置體積龐大，這使得裝置的建設(shè)和維護成本極高。為了實現(xiàn)核聚變的商業(yè)化應(yīng)用，必須發(fā)展出更加緊湊、高效的核聚變裝置，這需要在材料科學(xué)、磁場控制技術(shù)等多個領(lǐng)域取得重大突破。
目前的核聚變實驗裝置都是在磁場約束下進行的，這意味著需要強大的磁場來防止等離子體與容器壁之間的氣態(tài)物質(zhì)相互作用，以維持核聚變反應(yīng)的正常進行，這對設(shè)備運行的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。
此外，強磁場的產(chǎn)生和維持需要消耗大量能量，現(xiàn)在人造太陽產(chǎn)生的能量密度相對較低，導(dǎo)致設(shè)備消耗的能量大于產(chǎn)生的能量。要推廣核聚變的應(yīng)用，必須大幅提高核聚變反應(yīng)的能量密度，最終實現(xiàn)能量的凈增長。
再者，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子會對實驗裝置的內(nèi)壁產(chǎn)生輻照損傷，這會導(dǎo)致實驗裝置的內(nèi)壁材料逐漸老化，從而影響實驗裝置的運行壽命。因此，設(shè)計并選擇具有較高抗輻射性能的材料，以保證核聚變裝置的安全和可靠運行，也是不可忽視的環(huán)節(jié)之一。
除了實現(xiàn)核聚變反應(yīng)的技術(shù)挑戰(zhàn)，人造太陽想要投入市場還需要降低生產(chǎn)過程中廢料對環(huán)境和生態(tài)的影響。盡管核聚變的廢料相對于核裂變的廢料輻射性較低，但仍然需要妥善對待，有效地回收、處理和存儲這些核廢料是實際應(yīng)用中的另一個關(guān)鍵問題。
商用核聚變面臨著諸多挑戰(zhàn)，但這并不意味著應(yīng)該放棄對這一理想能源的追求。合肥人造太陽已經(jīng)展示出了強大的潛力，一旦加大科研投入，推動核聚變技術(shù)取得更多突破，在不遠(yuǎn)的將來，人造太陽就有機會實現(xiàn)核聚變在能源領(lǐng)域的重大變革。
