什么是人造太阳？学术资讯

2020年7月28日，国际热核聚变实验堆（ITER：International Thermonuclear Experimental Reactor）计划重大工程在法国总部举行安装启动仪式，这个项目由35个国家共同合作建设，其中中国负责磁体馈线（Feeders）和极向场线圈（Poloidal Field Coils）等部件。图源：ITER

对于国际热核聚变实验反应堆，大家没怎么听说，但如果说起他的另一个名称，大家就会感到熟悉，那就是——人造太阳。
在大刘的科幻小说《中国太阳》中，中国科学家们通过电磁弹射向太空发射大量的金属薄膜反射片材料在同步轨道上组成大型反射阵列，光压产生太阳风帆推力使得发射阵列绕地球运转。在使用时调节反射片角度达到“指哪打哪”的效果。图源：网络

在现实情况下，人造太阳无需发射到太空中，而是利用可控核聚变原理，用极少量的清洁燃料产生大量能量。太阳组成物质中氢约占71.3%，氦约占27%，其他元素约为2％，太阳中心区域即核反应区，温度高达15,000,000℃，压力使得氢聚合成氦的热核反应持续发生，产生巨大的能量，通过辐射区和对流区传递到太阳表面向四周辐射。

图源：维基百科

核裂变是指讲一个原子分裂成许多原子，比如铀原子裂解成氪原子和钡原子。这个过程中元素周期表上铁以后的元素裂变后放出的能量大于裂变所需要的能量。可控的核裂变技术已经被人类掌握，比如说核电站。
核聚变是指将不同的原子结合到一起变成一个原子，比如氢的两个同位素氘氚结合形成氦原子。这个过程中在元素周期表上铁以前的元素聚变后放出的能量大于聚变所需要的能量。虽然目前人类已经掌握了氢弹技术（不可控核聚变），但依然难以长时间维持可控的核聚变技术。图源：百度百科

要达到核聚变的基本要求，最重要的是温度。要想让原子核和电子自由移动，并且相互碰撞结合成更大的原子，至少需要约上亿摄氏度。因此，超高温度和超耐热材料成为了最大的阻碍。
一种思路是惯性约束法。
惯性约束核聚变将少量氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（约几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。图源：百度百科

然而，这种爆炸的时间非常短暂（皮秒级），且需要的激光束功率极其大，目前的技术还难以实现。
另一种主流的方法是"托卡马克"（TOKAMAK）型磁场约束法。利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内，从而避免了直接面对超高温的挑战。正在组建的国际热核聚变实验堆和目前大多数可控核聚变装置都是基于这个原理。图源：维基百科

目前没有任何一种容器能忍受住上亿度的高温还能保持物理性质不变，因此托卡马克装置巧妙地利用电磁场作为“笼子”将高温等离子体关押起来，这样就可以不与任何材料接触。
目前主流的等离子体原料为氘和氚，海水中两种元素的含量可供人类使用上百亿年，因此这种资源基本上接近于无限。此外，核聚变的零碳排放和高效能也成为了人类千方百计想要实现的原因。图源：维基百科

目前我国的托卡马克装置能量输出输入比能达到1.25，证实了这种方法的可行性，而要应用到实际发电产能当中，还有很长的路要走。
磁笼导线的电阻大量发热会造成大量的不必要能量消耗，超导体能实现零电阻，但要求的绝对零度和高温等离子体形成了两个鲜明的对比，“在冰冷的身体里含着一颗火热的心”，还要做到控制等离子体轨道在零点几毫米和零点几毫秒的绝对精准，是极其困难的事情。图源：维基百科

“中国比任何一个国家都需要能源！”，在那个一穷二白科研经费极其有限的年代，中国科研工作者们突破重重难关，取得了一次又一次的进步。前有合肥超环和中国的环流器1号，后有东方超环和中国的环流器2号。
我国独立设计制造的世界首个全超导托卡马克——东方超环（EAST）已获得1兆安等离子体电流、100秒1500万度偏滤器长脉冲等离子体、大于30倍能量约束时间高约束模式等离子体、3兆瓦离子回旋加热等多项重要实验成果，为国际热核实验聚变试验堆ITER和中国未来独立设计建设运行聚变堆奠定坚实的科学和技术基础。图源：维基百科

2019年6月5日，位于四川成都的我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”的工程安装全面启动，与国内同类装置相比，“中国环流器二号M”装置采用了更先进的结构与控制方式，等离子体温度将有望超过2亿摄氏度，该装置将为我国参与国际热核聚变实验堆相关实验与运行以及未来自主设计建造聚变堆提供重要技术支撑。图源：维基百科

我国东方超环计划验证了科学实验的可行性，文章前面介绍的ITER计划验证的是可控核聚变到底能不能用于商业发电。在那个一穷二白的年代，我国出资9亿欧元参加如此巨大的国际合作项目，从现在看来，不失为一个明智之选。
ITER计划的需求引导大大促进了国内企业生产技术的先进性，超导线材、核磁共振线材等材料和技术都达到了国际水平。此外，随之带来的材料进步也促进了其他领域的发展，如歼15战斗机起落架等。