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e1.2億攝氏度101秒！中國“人造太陽”創(chuàng)紀(jì)錄意味著什么？

e1.2億攝氏度101秒！中國“人造太陽”創(chuàng)紀(jì)錄意味著什么？
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5月28日凌晨，在全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）控制大廳，屏幕顯示1.2億攝氏度等離子體運行突破100秒的瞬間。圖片來源：新華社
5月28日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，將1億攝氏度20秒的原紀(jì)錄延長了5倍。
中國“人造太陽”實驗刷新世界紀(jì)錄，意味著人類讓核聚變成為取之不竭用之不盡清潔新能源的努力，又取得了一次突破性進展。
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5月28日凌晨，在EAST控制大廳，屏幕顯示實驗進入10秒倒計時。圖片來源：新華社
核聚變是理想的終極能源
能源是驅(qū)動萬物運行的根本動力。現(xiàn)今人類使用的能源主要有化石能源（煤、石油、天然氣）、風(fēng)能、水能、太陽能和核能（核電站發(fā)電）。但這些能源都存在諸多缺陷，如面臨資源枯竭、環(huán)境污染、危害健康和生命（核電站事故產(chǎn)生輻射）、受限于氣候或地理條件等，因而不能全面和充分滿足人類需求。
然而，核聚變產(chǎn)生的能源，既可以充分滿足人類需求，又沒有污染環(huán)境和危害人類、生物的弊端。
據(jù)測算，1升海水中含有的氘，核聚變反應(yīng)后即可產(chǎn)生300升汽油燃燒的能量，生成物也沒有危害。因此，核聚變能源被認(rèn)為是理想的終極能源。
人類生產(chǎn)和生活的各個方面，都可以采用核聚變能源。雖然不是“永動機”，但核聚變可以超長時間地提供能源，不僅可以實現(xiàn)美國漫威超級英雄鋼鐵俠依靠胸口那個小型反應(yīng)爐供能，日常生活中的電動汽車、手機等也都用不著充電，就連宇宙飛船都可以擁有無窮無盡的能源遨游太空。
不僅如此，核聚變的產(chǎn)物為氦和中子，不排放有害氣體，也不危害生命和健康，有助于讓生態(tài)和環(huán)境保持良好狀態(tài)，減少地球上的溫室效應(yīng)、酸雨、霧霾。而且，由于原料從海水中就能獲得，核聚變能源的獲得成本將極為低廉。
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4月28日，在中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，工作人員對全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）進行升級改造。圖片來源：新華社
實現(xiàn)核聚變發(fā)電面臨兩大難點
核聚變的首要條件，是使燃料處于物質(zhì)第四態(tài)，即等離子體態(tài)。等離子體是一種充分電離的、整體呈電中性的氣體。在高溫狀態(tài)下，等離子體中的電子獲得足夠的能量擺脫原子核的束縛，原子核完全裸露，使得核子碰撞和反應(yīng)成為可能。
當(dāng)?shù)入x子體的溫度達到幾千萬攝氏度甚至數(shù)億攝氏度時，原子核可以克服斥力進行聚合反應(yīng)。再加上足夠的密度和足夠長的熱能約束時間，核聚變反應(yīng)就可以穩(wěn)定地持續(xù)進行。
當(dāng)然，可控核聚變作為一種能源，最重要的指標(biāo)是能量增益系數(shù)，可稱為Q，即聚變產(chǎn)生的能量與維持等離子體所消耗的能量的比值，也就是輸出/輸入。顯然，Q要大于1，即輸出大于輸入才能為人們供給能源。
早在1957年英國物理學(xué)家勞森（John D. Lawson）就提出了一個準(zhǔn)則，如果想要Q大于1，等離子體的密度、溫度、能量約束時間的乘積（即聚變?nèi)胤e）應(yīng)當(dāng)大于一個定值。
也就是說，要讓“人造太陽”的產(chǎn)能和供能成為現(xiàn)實，必須滿足幾個條件：要有1億攝氏度以上的高溫，要把等離子體長時間約束在有限的空間中，還要有足夠高的密度。進一步看，要實現(xiàn)核聚變發(fā)電，如何實現(xiàn)上億攝氏度點火和等離子體穩(wěn)定長時間約束控制，是尤為困難的兩大難點。
現(xiàn)在，中國的研究也正在朝向這個定值發(fā)展。中國在EAST裝置進行的核聚變實驗，是通過電磁感應(yīng)的磁通量變化，將能產(chǎn)生≥100萬安培的等離子體電流；持續(xù)時間將達到1000秒，在高功率加熱下溫度將超過1億攝氏度。
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4月13日，EAST在升級改造中。圖片來源：新華社
多國都在推進“人造太陽”計劃
由于認(rèn)識到核聚變是解決人類未來能源的終極目標(biāo)，因此，國際上核聚變研究既有合作，也有競爭。
合作的標(biāo)志是，2020年7月28日，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃重大工程安裝啟動儀式在法國該組織總部舉行。ITER計劃由中國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方共同實施。
作為聚變能實驗堆，ITER要把上億度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達837立方米的磁籠中，產(chǎn)生50萬千瓦的聚變功率，持續(xù)時間達500秒。50萬千瓦熱功率，已經(jīng)相當(dāng)于一個小型熱電站的水平。

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