如何看待中国人造太阳“东方超环”1亿摄氏度运行近10秒？
特别说明：感谢大家的批评指正，已经删除相关错误内容，主要是编辑的物理基础不够造成的，后续会加强对内容的审核～针对演讲稿内容口语化的问题，也进行了调整，再次感谢各位知友的指正，欢迎大家继续监督！~  距离“50年”又近了一步？（手动狗头） 刚刚跟等离子体所老师确认了，确实是2018年的旧闻。 大家都知道太阳，太阳的能量来自内部轻核聚变，那什么是人造太阳？人造太阳的能量来自什么？看过钢铁侠的人都知道，钢铁侠里面有一个人造太阳叫托卡马克，像一个磁线圈一样。如果把托卡马克内的气体加热到上亿度，它就会发生聚变，可以像太阳一样发出巨大的能量。 那么，现实中存在这样的装置吗？答案是肯定的，现在中国就有两个正在运行的“人造太阳”，一个在合肥，另一个在成都，分别叫东方超环和中国的环流器2号。在它们之前，还有合肥超环和中国的环流器1号，现在均已退役。 万物生长靠太阳，地球上的生物离不开太阳，同时，太阳为人类的生产生活提供了有用的光和热，太阳的所有能量都来源于内部的核聚变。事实上，人类已经实现了核聚变，只不过是不可控的——氢弹。氢弹爆炸的能量，就来自于内部氘和氚的聚变，但是这样的聚变是不能轻易发生的，需要通过原子弹产生的瞬时高温高压将内部聚变燃料点燃，才会发生聚变爆炸，这样的高温需要达到一亿度以上。这也是为什么氢弹的发明不可能早于原子弹的原因。 那么怎样能够实现人造太阳？目前情况下，目前情况下，任何容器在上亿度的高温炙烤下都会在顷刻之间烟消云灭。于是科学家就想了一个办法：把一团火球——上亿度的等离子体，用一个磁笼约束的方法把它悬浮起来，跟周边的任何容器材料不接触，这个时候就可以把它加热、控制，进而造出“太阳”。这个磁笼的模样就像大家吃的甜圈圈，但却是一个构造极其复杂的仪器。 用这个非常复杂的仪器把上亿度的东西放在中间持续地加热，说起来很容易，但实际操作非常难。 首先我们需要巨大的磁场，这个磁场要比地球南北极的磁场高两万倍以上，磁场越强越容易将聚变“火球”关起来。人类之所以没有遭到来自太阳风以及各种高能宇宙射线的损害，主要就是靠地球磁场，把这些带电粒子挡在了大气层以外。在南北极看到的美丽极光，也是由于地球磁场对于高能宇宙射线的屏蔽作用。 所以现在要做的就是产生比地球磁场强度高上万倍的磁场，让这团“气体”燃料（事实上，磁笼内部的是高温等离子体，不是我们一般意义上的气体）悬浮起来。“气体”燃料是什么？是海水里面氢的同位素——氘和氚。氘和氚的比例虽然很低，但是考虑到70%以上的地球表面被海洋覆盖，总的含量还是很高的。海水里面的氘和氚有多少呢？它可以让一千个电站使用上百亿年，也就是说这个资源是接近无限的。如果用爱因斯坦的质能方程 E=mc^{2} 计算的话，一杯水里面含有的氘和氚聚变产生的能量，相当于300公升汽油燃烧所能产生的能量。 聚变储能虽然非常高，但是实现起来却非常困难，那我们为什么要前方百计地去实现它呢？其中最大的原因还是出于对安全的考虑。 首先它不会产生高放射性的核废料。我们现在用的裂变电站都是重核裂变燃料，尤其是铀235和铀238。裂变产物的放射性仍然很高，一旦发生事故，就会有大量半衰期长达上百万年的放射性废料泄露，对生态环境造成极大的破坏。 其次是它的产物非常清洁。聚变的产物是能源中子和氦气。氦气是非常清洁的，而且非常安全，导致事故的概率非常小。而且很多人对裂变电站可能被炸弹袭击进而导致泄漏的忧患，对于聚变电站来说并不存在，因为聚变的产物就是氦气，只要一停机，就没有了。 总结一下，作为资源来讲，它是无限的，同时又是清洁的，所以长期以来被科学家认为是未来人类终极能源之一，而且是可以大规模生产的。未来可能有20%的可再生能源，剩下的80%一定是靠聚变来维持的，是最大规模的能源供给。 一个一百万千瓦的电站，上海一年大约只需要两个。聚变电站需要多少燃料呢?一年一个聚变电站只需要一百公斤的重水和锂；如果换成火电站的话,一个电站需要50万吨煤；如果是裂变核电站的话只需要30吨裂变燃料。从安全性和能量密度来看，我们无论如何都要“造出太阳”。 “太阳”不是你说造，想造就能造。 首先你要有一个磁笼，用它把内部等离子体关起来，再用非常高的温度把内部加热到上亿度，加热到上亿度以后就会聚变产生氦和高能中子，高能中子就跑到包层材料里进行加热。加热以后，我们通过水把热量转换成蒸汽，再通过蒸汽把电给发出来。这就是一个简单的聚变发电原理。 人类在这个方向一共做了50年，进展还是挺大的。我们知道，计算机每1.8年CPU的速度翻一倍，而聚变的发展速度基本上能做到跟它一样快，甚至比它快两个月，差不多16～17个月左右的时间，它的综合参数性能也能够翻一倍。 但聚变最大的问题就是离实现还很遥远，没有像计算机这样早就得到广泛的应用。不过可以说，聚变在过去50年中已经发展得非常非常快了。几个代表性的成就是在一些发达国家，像美国、欧洲和日本，他们在一些大装置上都同时实现了可控的核聚变。 我国做到了输出的能量和输入的能量之比等于1.25，即已经有了净输出。这是什么意思？就是说从科学上已经验证了这是可行的，但是工程上可不可行还不知道。因为目前所有这些结果都是在十秒或十秒内实现的，时间非常短。那为什么不做的时间长一些呢？这是受限于我们所用的托卡马克装置。 我们的磁笼子是用常规铜线做的，虽然铜线的电阻不大，但是为了实现强磁场，通过铜线的电流必须非常大，这样铜线就会大量发热，而这些热都是被浪费的，这样就无端浪费了大量的电能。怎么才能不浪费能量呢？我们找到了超导体，如果把超导体的温度降到临界温度以下，电阻就会变为零，导体就不会发热，这样就不会有能量被浪费掉，那么我们就能够实现更高的能量输出输入比。 说起来容易，做起来难。 托卡马克装置是苏联人发明的。上个世纪90年代初期的时候，苏联想做一套超导托卡马克，把一套托卡马克装置有意地“送”给中国。 我们当时的所长霍裕平院士觉得这是一个很好的机会，于是就用400万人民币的羽绒、瓷器、中国家具，“换”来了这个1800万卢布的托卡马克装置。当时1卢布相当于3.6美元，这个装置还是非常不错的。 （根据等离子体所官网发布的文章《我国首个超导托卡马克装置“合肥超环”正式退役》http://www.ipp.ac.cn/xwdt/ttxw/201305/t20130507_111297.html ，当时的情况是：1990年初，前苏联库尔恰托夫原子能研究所所长卡托姆采夫院士给等离子体所写信，表示有意将该所停止运行的T-7托卡马克装置赠送给中国，时任等离子体所所长霍裕平院士获得此信后，考虑到T-7超导线圈很适合准稳态等离子体运行，且其中的一些关键设备在国内当时还无法制造，但我们有能力在较短时间内将T-7改造成较好的装置，使等离子体所在混合堆芯和聚变等离子体工程研究及相关技术上较快接近世界先进水平，并快速培养人才。于是霍裕平院士与所里同事研究，迅速做出决定，果断接收T-7，之后该决定得到中国科学院和有关部委的大力支持。） 我们花了一年半的时间把它全部拆掉，又花了两年的时间把它装起来，在这上面做了大量的实验，应该说还不错。其他国家在同类装置上面都只能实现几秒钟的高温，而我们最多能做到一千万度持续60秒钟，因此这一成果成为了当年全国的十大新闻之一。 但是这还不够，用苏联的托卡马克还不能够做到所有线圈的电阻都等于零，这时候我们就要做超导，而超导就需要低温，低温要达到接近绝对零度。想象一下，要把上亿度的一团火球悬浮在-269℃的磁笼圈子里面。等于说有两个极端，一个温度在 10^{8} K以上——一亿度以上，另一个温度是非常冷的，4K，也就是零下269℃。“冰冷的身体里要含着一颗火一样的内心”，这个是非常难的。 其次，一旦发生聚变的时候——比如氢弹爆炸，只要它发生爆炸，就会有强烈的冲击波，它跟周边材料(就是悬浮起来的也不行)就会发生强烈的相互作用，，所以控制要非常精确，精确到零点几个毫米和零点几个毫秒以下，否则只要一偏心，高温等离子体碰到什么烧什么。 这件事真是难，难于上青天！为什么这么说？因为美国人在上世纪60年代就已经“上了天、登了月”，但是他们到现在也没有做出一个能够真正发电的人造太阳。 从需求来讲，中国比任何一个国家都需要能源。我国几任国家领导人都觉得，这件事中国人一定要做。因此，上世纪90年代初我们提出一个想法，在全世界率先做一个全超导的托卡马克，一个能够长时间地做到上亿度的“东方超环”。 提议通过以后，我们就开始做这样的装置。做这个装置，第一就是要解决上亿度和零下269度的矛盾。江泽民同志到我们所里调研的时候，他也问了这个问题，要怎么解决？ 想要解决上亿度和零下269度的组合难题，很多技术必须要综合运用在一起。首先，真正的上亿度的高温等离子体要用磁场把它悬浮起来，就是超导，上面全部是线圈。悬浮在中间以后，等离子体那里有个火球——有点像钢铁侠那个球——温度越高它越要到处跑。比如太阳，因为温度高，所以会出现太阳黑子。火球在跑的过程中一定要想办法控制住，让它一定悬浮在中间，不能够上下跑，精度还一定要高，控制在浮动不超过零点几个毫米。在不乱跑的情况下，火球才不会把材料烧坏。 除此之外，过程中的能量损失的方式有传导、对流和辐射。要实现最小的辐射损失就是全部用真空，我们用五层真空最终实现了一亿度和零下269度的结合。 因为在此之前全世界没有人做过这样的事，所以几乎所有东西都需要我们自己做。当时国内的经济不像现在这么好，能投入到科研的经费也比较有限，万元熙院士带领整个团队做了整整十年，突破了很多难点，终于在2006年得到了大概几百万度的高温等离子体，但是持续时间只有几秒钟。 但我们想要实现的目标不只是几百万度的几秒钟，我们想做更高温度、持续更长时间。难度在哪里？ 材料！ 做聚变，几乎要把当今地球上所有材料、技术都做到极致、用到极致。比如说，其中要采取的材料是一种最硬的合金——钨合金。比如说，其中要采用的聚变包裹材料是一种最硬的合金——钨合金。在这个托卡马克空间里，我们要在上亿的温度下让它悬浮起来，同时还要防止聚变爆炸冲击波。只要有冲击波的强能量辐射，就要赶快把它拿走、抽走。这里用的大抽速棒是零下269度的低温棒。 还有其他的很多技术，这里就不展开说啦。 大约在1985年，尽管还在冷战中，里根和戈尔巴乔夫还是谈了一件象征着人类美好前景的事情——在地球上建一个人造太阳。这个人造太阳是50万千瓦，跟现在的发电站差不多。 这个诞生自20世纪的倡议，历经实验堆的研究设计、工程设计、长达5年的谈判，最终于2006年签署联合实施协定，确定由七个国家共同参与，启动实施计划。大家共出资100亿欧元，其中欧盟占最大一块，45%，其他的六方——中国、日本、美国、韩国、印度各占9%，要在法国Cadarache（卡达拉舍）建造世界第一个真正意义上的人造太阳，命名为国际热核聚变实验堆ITER。ITER计划运行至少20年，即需要能够在大规模的、几十万千瓦的基础上运行很长时间。这就是要验证聚变的工程可行性。 有人可能会问，100亿欧元！怎么需要这么多钱？举个例子，前面我们提到，想造人造太阳，就要造磁笼，这个磁笼一共有18段，像橘子瓣一样，一个“橘子瓣”就是一个线圈，一个线圈的重量在360吨左右。360吨是什么概念？波音747的重量大概就是370吨，价值2.6亿美元。而这一个“橘子瓣”的造价比波音747还高一点，大概是2.8亿欧元。 我们的东方超环验证的是科学实验的可行性，ITER验证的是真正能够商业运行发电的核聚变堆规模到底有没有这么大、这么大的规模以后行不行？这里牵扯到特别多的技术。 这是中国参加的一个最大的国际合作项目，中国出资占9%，也是9亿欧元，这是一个很大的数字。特别是对于当时中国的经济来说，是非常大的一笔钱。但我们还是参加了，而且觉得对我们的发展起到了促进作用。 第一个例子。我们国家在参加ITER之前是生产短样超导线材的。绕这么一个线圈，里面要重达150吨、将近十万米的导线，还要一气呵成不能断。在参加这个国际合作之前，我们四十年之间只产生了36公斤短样超导线材。 而参加ITER后，在需求引导下，国内企业发展得非常好，已经拥有了全世界最先进的技术，规模和产量也是最大的。西安的有色金属研究院下的西部超导公司现在一年可以生产150吨超导线材；除此之外，国内的核磁共振、GE的所有线几乎超过一半都是由ITER的国内材料供应商在供应；还有我国航母的歼15的起落架，飞机落地的一刹那冲击力非常大，所以对材料的要求非常之高，用ITER上面的材料终于解决了航母舰载机的起落架的问题。 第二个例子。刚才说的上亿度的东西的第一层屏蔽叫核导，长得像多脚的怪兽一样。它有多重？一百年前建成的埃菲尔铁塔是7300吨，而这个有8000吨，当然，这种材料的制造也比一般的钢铁要难得多。这是一种特殊的不锈钢，首先要耐极低温（零下269度），还要耐强辐射。在参加ITER之前，我们从来没有生产过这样的材料。参加ITER之后，通过跟国际合作，山西太钢现在可以年产15000吨这样的材料，企业因此得到了很大的发展。 尽管聚变能离我们还是很遥远，但是通过国际合作，中间产生的过程和技术都能够非常好地用在国民经济上。 未来中国的聚变到底怎么做？咱们的聚变到底什么时候才能实现？ 对中国来讲，我们对聚变的需求比任何一个国家都急迫。我们现在正在做实验装置、参加ITER，但是希望十年以后能建造中国自己的工程堆，这样才能够验证发电。有了这个东西以后，再去谋求商用化。 这是我们设计的中国工程聚变堆，里面有一个主机装置。这个设计象征着大鹏展翅腾飞，象征着人类追求聚变的梦想，象征中华民族腾飞的梦想。 经过二三十年的努力，真正的人造太阳会冉冉升起。 1982年，我到了合肥一座非常偏僻的岛上——董铺岛，一做就是34年。非常有幸的是，数位党和国家领导人都曾来过现场参观指导，这给了我们科学家很高的鼓励，他们都说过同样一句话——中国需要能源，中国一定要在人类实现这种聚变的路上起到不可取代的作用。 最后，我想分享一些我的体会和愿望。 这是从卫星上拍得一张地球的片子。 大家可以看到美国、欧洲、日本都很亮，为什么？因为他们已经是发达国家，已经被过去的文明所照耀，但还有很多地方没那么亮。 50年前，人类就有个梦想，希望实现人造太阳。我也有这个梦想，希望在我的有生之年，能够做这么一个人造太阳，让那些没有还没被照亮的地方，被聚变能点亮。  以上回答整理自中国工程院院士李建刚2016年在SELF格致论道讲坛的演讲，内容有编辑。 出品：SELF格致论道 “SELF格致论道”讲坛是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，转载请联系self@cnic.cn