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向终极能源靠近！我国可控核聚变突破有何重大意义？

发布者：广厦寒士 2023-9-3 22:00

近日，中国的新一代“人造太阳”——“中国环流三号”首次实现了100万安倍等离子体电流下的高约束模式运行，取得了重大的科学进展。

突破了多个关键技术难题，如等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制，我国在可控核聚变的研究历程当中又迈进了重要的一步。

为什么我们要追求可控核聚变？

能源，决定了人类在地球上能生存多久。人类对能源的开发程度越高，往往也标志着文明的程度更高。

可控核聚变经常被人们称为终极能源。只要我们掌握了可控核聚变的技术，那么相当于我们只要用少量的质量就可以获取巨大的能源，从某种程度上来说，我们就拥有了用不完的能源。

一方面，这种能源干净绿色，对地球的环境和气候百利无一害；另一方面，可控核聚变蕴含的巨大能量或许是人类未来向深空进发的关键力量！

那么核聚变的原理是什么呢？

我们的太阳为什么可以一直发热？其实就是因为太阳内部一直进行着核聚变。

当质量较小的原子，在高温高压下会让核外的电子摆脱原子核，两个原子核相互吸引、碰撞，从而产生更大的原子核。这一过程会释放巨大的能量，根据爱因斯坦的理论，这一过程就是通过质量的损失来换取巨大的能量。

这个过程说起来很简单，但是要实现却是相当困难的。

我们所熟知的氢弹，它的原理就是核聚变。但是点燃氢弹只需要一瞬间的高温，对燃料的质量也不需要太多。但是可控核聚变却是需要让高温一直维持，且能够持续输出能量。

太阳就是我们最理想的可控核聚变的样子。太阳核心的温度达1500万度，而压力就高达上千万个大气压。地球上哪里有这种高温高压的环境呢？于是科学家发明了一种托卡马克装置，这种装置能够用来约束等离子体电子，帮助人类创造高温高压环境。托卡马克的温度其实早就超过了太阳的核心温度了，为什么我们实现可控核聚变还是这么困难呢？

按照物理学理论，我们只要给物质加热，增大原子核的平均动能，让原子核的动能超过一定值后，就可以克服库仑力发生融合，这个温度要求非常高，经典物理学计算要达到上百亿温度才能实现稳定的核聚变。

太阳的核聚变1500万度就可以实现，但是人类点燃氢弹却要有上亿的温度。这是因为太阳的质量很大，太阳核心也很大，占太阳质量的99%，于是太阳内部收到外部的挤压非常大，高温状态下的电子直接被剥离出来，经历了一个电离的过程，在太阳核心乱窜。

同时，在弱力的作用下，一个质子会转变成一个中子，然后中子和质子的结合又得到了一个氘核。虽然弱力产生的几率非常少，但是一旦太阳内部中间产生了一个氘核，核聚变就开始产生了。

托卡马克装置

目前，实现可控核聚变主要有三种约束方式：磁约束、惯性磁约束、引力约束。

而托卡马克就是用来通过磁约束来实现核聚变的环形容器。它的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈，通电之后内部会产生巨大的螺旋型磁场，将等离子体加热到很高的温度，从而实现核聚变。

到目前为止，托卡马克装置仍然是人类实现可控核聚变的主流方式。

中国环流三号，我国的东方超环（EAST）、中国环流器二号A（HL-2A）、M（HL-2M）都属于“人造太阳”实验装置，本质上都是托卡马克装置。

等离子体电流强度是托卡马克核聚变装置的核心参数，等离子体电流达到100万安培（1兆安）是其实现聚变能源的必要条件，未来托卡马克聚变堆必须在兆安级电流下稳定运行。

进击的中国可控核聚变

2022年10月，中国的中国环流器二号其实就已经实现了等离子电流突破100万安倍，创造了可控核聚变装置运行的新纪录。

2023年4月，EAST成功实现了稳态高为主模式下等离子体运行404秒，创造了新的历史纪录。

2023年8月，中国环流器三号再进一步，实现了100万安倍等离子体电流下的高约束模式运行。，说明我国目前已经掌握了可控核聚变的关键技术。

可见，中国的可控核聚变技术是扎扎实实地一步步前进着。

中国在可控核聚变上的发展已然步入世界前列，但是最终还是得看谁率先实现商业化。国之重器，为科学家们点赞！

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