能源終極夢想科學家「種太陽」

知識 10-01

導語：

煤、石油、天然氣，這些人類賴以生存的不可再生能源，終有一天將被耗盡，人類社會會停止發展嗎？答案是否定的，因為存在這樣一種大科學裝置，未來只需200公斤的重水和鋰就能支撐上海一年的用電量！

這不是科幻，這是承載著人類能源希望的 「人造太陽」托卡馬克。它像太陽一樣產生無窮、永久的清潔能源，為此，中科院SELF講壇聯合墨子沙龍邀請到中國工程院李建剛院士進行深度解讀。

---專家介紹---

能源終極夢想科學家「種太陽」

李建剛

中國工程院院士中科院等離子體物理研究所研究員

中國科技大學教授中國磁約束聚變專家委員會召集人

《plasma science &technology》主編

長期從事聚變研究，在超導托卡馬克工程系統的設計、關鍵技術、建設、集成、科研等方面取得了多項重大成果

人造太陽受控的核聚變裝置

能源終極夢想科學家「種太陽」

什麼是人造太陽？托卡馬克又是什麼？

李建剛院士做了這樣一個類比：電影《鋼鐵俠》里，鋼鐵俠胸前可發巨大光束的離子發射器其實就是一個人造太陽。

由於仿造原理是太陽內部的熱核聚變反應，所以稱之為「人造太陽」。當把裝置內的氣體加熱到上億度之後，它會發生巨變進而產生巨大的能量。而這種受控的核聚變裝置叫托卡馬克（Tokamak），名字來源於環形（Toroidal）、真空室（Kamera）、磁(Magnet)、線圈(Kotushka)。

可大規模生產的無限量清潔能源

能源終極夢想科學家「種太陽」

人造太陽有上億度的溫度，若要把它裝進普通的容器里，在頃刻之間就能煙消雲散。於是科學家想到一個辦法——用磁的方法將這團上億度的等離子體火球懸浮起來，在不與容器周邊的材料接觸的條件下，進行加熱、控制，進而成為「太陽」。

然而，現實操作卻異常複雜。

首先，懸浮起這團等離子體的火球不是普通的磁場，而是比地球南北極的磁場還要高兩萬倍以上的一個巨大磁場。

有了磁場還不夠，還要考慮懸浮所需的燃料。好在，這種燃料並不難獲得。李建剛院士指出，這種燃料是氫的同位素——氘和氚，它們在海水裡含量大，資源無限豐富。而且聚變之後的產物就是能源中子和氦氣，完全不含其他高放的廢料。從這個角度來說，人造太陽作為資源來說是無限的而且絕對清潔，是可以大規模生產的。

能源終極夢想科學家「種太陽」

關於聚變電站的原理，李院士說，首先得有一個類似籠子的磁體外殼（磁籠子），把它形成一個等離子體，用超高溫物體使它加熱到上億度，從而能產生氦和中子。中子跑到包層材料中使它加熱，加熱之後通過水使它轉換成蒸汽，通過蒸汽發電。

中國的聚變之路

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過去50年，聚變的發展雖然不如計算機一樣家喻戶曉，但成績還是非常可觀。尤其是在一些發達國家，例如歐洲、美國和日本，他們在一些大裝置上都同時實現了可控的核聚變。

其實在很多年前，中國也開始做核聚變，托卡馬克最早是蘇聯人的發明，在90年代初期，中國用價值400萬人民幣的羽絨服、瓷器和上好的傢具在他們手裡換來了1800萬盧布的托卡馬克裝置。我們花了一年半的時間把它全部拆掉，又花了兩年的時間把它裝起來，在這上面做了大量的實驗，成績很不錯，在其他國家聚變反應時間只能維持2、3秒鐘的時候，我們的裝置能多維持60秒鐘。

也許有人會問，為什麼聚變時間這麼短，只有兩三秒鐘？

李院士說，因為磁籠子是用常規的銅線製作的，耗能大，但未來發電不可能只在彈指之間，必須是長久的、穩定的，所以我們大膽設想，降低溫度使電阻為零，那麼消耗的能量也變為零，我們便能夠輕易得到聚變能量。聽起來很容易，但實際操作並不簡單。

造出一個太陽？難難難，難於上青天！

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科學家們遇到的第一個難點是超導。為了可以長久的、穩定發生聚變反應，就要實現電阻為零，要實現電阻為零，必須進行超導。什麼是超導？就是把上億度的磁籠子懸浮在-269度的這樣一個圓環裡面。

第二個難點是，一旦聚變發生，會產生強烈的衝擊波，即使被懸浮起來，它同樣與周邊材料有強相互作用。所以對可控範圍和時間要求務必精確到零點幾毫米零點幾毫秒以下，否則一旦偏心，什麼都將付之一炬。

解決第一個難點，首先需要用線圈使它懸浮起來，控制它處於中心位置不偏離。其次，裝置內要保持真空減少能量損失，內部一共有5層真空，類似一個超大的保溫爐，這樣才能實現一億度和-269度的結合。

解決第二個難點的思路是從材料上下手。在聚變裝置裡面，彙集了當今世界的各種極致技術，而採用的材料，也是世界上最硬的一種合金——鎢合金。在上億度的空間里既要懸浮起來，還要同時防止衝擊波，難度可見一斑。

30年孤島苦鑽研為什麼中國一定要做？

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東方超環

李建剛院士感嘆道，從能源的需求上來說，中國比任何一個國家都更加需要能源。雖然我們沒有發達國家那麼雄厚的資金和研究基礎，但幾任國家領導人都堅持我們必須做下去。

李建剛院士最早接觸到這個項目的時候，國內經濟不像現在這樣景氣，即使在全球範圍內，從事這個研究的人也很少，但在10年間，李建剛院士和他的團隊還是突破了諸多難點，創造了幾秒鐘幾百萬度等離子體放電的紀錄。

在九五大工程時，「人造太陽」這個提議在國內100多個提議中勝出。「人造太陽」計劃要率先在全世界實現一個全超導的托卡馬克——東方超環。保證它能穩定持久的進行放電，中心溫度比太陽內部還要高五到六倍。雖然在當時，這個計劃還只是驗證了實驗的可行性。

只有實驗可行性明顯是不夠的。1985年冷戰時期，里根和戈爾巴喬夫共同提議要在地球上建一個人造太陽，這個提議是要驗證聚變的工程可行性。經過談判，一共有七方參加，歐盟出資45%，中國、日本、美國、韓國、印度各出資9%，總耗資100億歐元。這是中國當時參加的最大的一個國際合作項目。

通過這個項目，現在國內的企業發展得非常好，在西安擁有了全世界技術最先進，規模最大，產量最高的超導公司，一年生產150噸線圈短樣，可用於滿足航母起落架的需求。在山西，太鋼鋼鐵集團現在能年產15000噸的耐強輻射不鏽鋼材料。雖然現在離聚變實現還有一段距離，但通過國際合作，中間過程的這些技術都能很好地應用於國民經濟當中。

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