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聚变|人类正在打造一颗新“太阳”

说起国际热核聚变实验反应堆 ， 大家可能没怎么听说 ， 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 。
在刘慈欣的科幻小说《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 。
今天 ， 我们就来说说这个“人造太阳” 。
太阳对于地球上的每一种生物来说 ， 都是极其重要的 ， 因为太阳其实也是地球上产生生命的一个重要因素 ， 因此虽然太阳距离我们很遥远 ， 但是依旧和我们每个人都息息相关 ， 虽然我们等不到太阳烧完的那一天 ， 但是这一天总归会来临的 。
7月28日 ， 由美国、俄罗斯、欧盟（包括英国与瑞士）、中国、印度、日本、韩国35个国家合作的ITER项目正式进入了为期5年的组装阶段 。 ITER是目前世界上最大的核聚变项目 ， 被媒体称为人造太阳 。
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其实“人造太阳”这个计划已经历经14年了 ， 这是一个可控核聚变装置 ， 该装置也是世界上最大的核聚变装置 。 这是一个国际项目 ， 有35个国家合作实施这一计划 ， 该装置在发过的南部目前已经开始组装 ， 而中国也参加了这一项计划 ， 中国为该项目提供磁体馈线、极向场线圈等重要部件 。
国际热核聚变实验反应堆（ITER） ， 这个项目的实施标志着新能源时代的开始 。
众所周知太阳是通过核聚变产生能量 ， 太阳的光芒和热量维持着地球上的生命使人类得以延续 。 这个项目的原理就是通过模仿太阳的核聚变过程 ， 以达到产生能量的目的 。 核聚变不同于目前对于核能的利用 ， 它是清洁、可靠的能源 ， 并且不产生碳排放 。 核聚变也是安全的 ， 因为它只需要少量的燃料 ， 并且物理上不存在因熔毁而发生泄漏事故的可能 。
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什么是核聚变？
首先 ， 按照定义：核聚变 ， 即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量 。 因为化学是在分子、原子层次上研究物质性质、组、结构与变化规律的科学 ， 而核聚变是发生在原子核层面上的 ， 所以核聚变不属于化学变化 。 值得一提的是 ， 在此过程中 ， 物质没有守恒 ， 因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子（能量） 。 这一过程遵循爱因斯坦质能方程 ， 正因为核聚变带来的巨大能量 ， 核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程 。
那么核聚变是怎么发生的呢？简单来说 ， 两个轻核因都带正电荷而彼此排斥 ， 然而当这两个轻核的能量足够高 ， 且迎面相遇 ， 它们就能相当紧密地聚集在一起 ， 从而能够克服库仑斥力而发生核聚变反应 。
核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程 ， 实际上热核聚变是宇宙中一种普遍的能量形式 ， 比如 ， 太阳就是一个巨大的热核聚变反应炉 。 这也正是为何我们的受控核聚变研究被通俗的称为“人造太阳”的缘故 。
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什么是托卡马克？
太阳利用巨大的引力使等离子体封闭 ， 但在地球上则必须采取别的方法——磁场便是其中一种 。 当等离子体带电时 ， 电荷被卷在磁力线上 ， 因此只要制造出磁场 ， 就能够将等离子体封闭 ， 使它们悬浮在真空中 。
上世纪50年代 ， 苏联首次提出托卡马克的概念——磁约束聚变以来 ， 这一直是个广泛的国际合作领域 。 托卡马克这个词是转写俄语单词токамак ， 是一个缩写：它的名字Tokamak来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka） 。 指的是“带有电磁线圈的环形真空室” 。
氘和氚被注入托卡马克 。 所谓电能生磁 。 通电时 ， 托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场 ， 加热直到它们变成等离子体 。 当等离子体达到1.5亿摄氏度时 ， 即发生聚变 。
原子聚变产生的能量以热的形式被容器壁吸收 。 就像传统的发电厂一样 ， 聚变发电厂将利用这些热量产生蒸汽 ， 然后通过涡轮和发电机发电 。
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“人造太阳”中的中国力量
ITER始于1985年 ， 里根-戈尔巴乔夫倡议苏联 ， 欧盟（通过欧洲原子能共同体） ， 美国和日本平等的参与在1988年-1998年的初步设计 。 后来俄罗斯取代了前苏联的位置 ， 美国曾于1999年到2003年之间退出 ， 加拿大于2003年退出 ， 而中国和韩国则加入参与开发研究 ， 印度在2005年12月也加入了该计划 。 2006年5月24日 ， 参加这一项目的欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方代表草签了一系列相关合作协议 ， 标志着这项计划开始启动 。
7月28日 ， 国际热核聚变实验堆计划重大工程安装启动仪式在ITER国际组织总部举行 。 ITER国际组织总干事评价 ， 这标志着ITER由此前成员国制造零部件的建设阶段正式转换到装置组装阶段 。
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时间回到2006年 ， 国际热核聚变实验堆（ITER）计划《联合实施协议》签署 ， 由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国共七方参与 ， 计划在法国共同建造一个世界上最大的超导托卡马克实验反应堆 。
这是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目 。 其中 ， 中国承担了大概9%的采购包研制任务 ， 包括了磁体支撑、校正场线圈系统、磁体馈线系统、包层第一壁等18个采购包 。
2017年 ， 活跃在聚变研究领域的科研人员共聚一堂 ， 就ITER计划及全球聚变能研发的未来之路展开讨论 ， 国际聚变界30余位外籍专家及10余位中国专家代表起草并签署了《北京聚变宣言——支持中国聚变能发展》 ， 宣言认为 ， 中国为ITER准时交付高质量部件 ， 显示出中国在ITER中扮演了重要角色 ， 并进一步倡导世界聚变界的科学家们为聚变能相关技术研发加强合作 ， 为最终解决世界能源短缺和环境污染问题贡献力量 。
中国工程院院士李建刚坚信：“在我的有生之年 ， 一定有一盏灯能被聚变之能点亮 。 这一盏灯 ， 一定要 ， 也只能在中国 。 ”
值得一提是 ， 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 。
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“人造太阳”是一项颠覆人类生存方式 ， 将改变整个地球的技术 。 从能量的获取能力来看 ， 人类如果没有可控核聚变技术 ， 将永远被锁死在地球上 。
另外 ， 能源革命将从根本上改变我们的工业生产和生活方式 。 而从这个从方面来说 ， 这大概更多的是造福全人类的技术 。 人类很有可能因此进入新的时代 ， 重新打造属于自己的“伊甸园” 。
素材来源 | 中科院地质地球所 科技日报
网易科技 澎湃新闻
编辑 | 顾杨乐
江北新区融媒体中心出品
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