发现一个“人造太阳”，事实意味着什么？ -

核能与核能应

物质由原子构成，原子是化学反应中不可再分的基本微粒。原子由原子核和电子构成。原子核由核子组成，包括质子、中子等粒子。不同原子的核子数不同，原子核的质量不同，其核子平均质量也不相同。当原子序数小于铁时，核子平均质量随原子序数增加而减小，反之核子平均质量随原子序数增加而增加。

核子平均质量与原子序数关系

核能则是指通过核反应从原子核中释放的能量，符合爱因斯坦的质能方程。

当原子质量小（原子序数小）的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压）发生原子核相互聚合作用，生成新的质量更重的原子核时，将发生质量亏损，并伴随着巨大的能量释放，此种核反应形式称为核聚变。太阳无时不刻地发生着氢聚变为氦的核聚变反应，让我们感受到了光和热。

太阳

如果由重的原子核变为轻的原子核，发生质量亏损并释放能量，此时这种核反应称为核裂变。

（图片来源：https://new.qq.com/omn/20200328/20200328A0KIQR00.html）

当核反应不受控制时，利用瞬间释放的巨大能量可以制造成核弹，如基于核裂变的原子弹、基于核聚变的氢弹。然而制造原子弹需要非常高富集度的浓缩核燃料，而氢弹通常需要原子弹来引爆，大多数国家都实现不了。

当核反应可控时，其可以广泛地造福人类，尤其是作为一种清洁能源能用于解决人类的能源危机，并大大减轻地球环境的负担。目前，已经有相对成熟的核反应堆装置用于实现可控的核裂变反应，并已成功应用于供热取暖、船舶动力、发电等方面。

压水反应堆发电

截止到2019年底，全球已有33个国家建设了629台核电机组，在运营443台核电机组[1]。2019年我国大陆18个核电站47台核电机组在运行，13座核反应堆在建设中，核电约占全年清洁能源的17.6%；2020年新增太平岭核电厂在建两台华龙一号机组。

2019年1-12月全国发电量统计分布(中国核能行业协会)

我国大陆核电厂分布情况（截至2020年4月27日，国家核安全局[2]）

受控核聚变——“人造太阳”

相对于可控核裂变，实现可控核聚变要复杂和困难得多。以氘-氚（氘、氚为氢的同位素）核聚变为例，发生核反应最低温度要求为1亿度，相应的原子核的速度也非常大，约为每秒几千公里到一万公里。设计什么样的容器或装置能将这些超高温、高速的原子核装在里面，如何将它们加热到发生核聚变反应的条件，等等，都是要解决的复杂问题。

目前，全世界已有40多个国家正在进行受控核聚变的研究，投入了大量的人力物力，建造了上千个实验装置。受控核聚变研究的重大突破，是将超导技术成功地用于产生强磁场的线圈上，建成超导托卡马克。目前，全世界仅有俄罗斯、日本、法国和中国拥有超导托卡马克[3]。

托卡马克(Tokamak)是俄语“磁线圈环形真空室”的缩写，是前苏联科学家发明的一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。

托卡马克（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）

由高温引起的核聚变反应叫做热核反应，在能够发生热核反应的极高温度下，所有的核聚变材料成为了高度电离的气体（称为等离子体）。托卡马克可以将上亿度高温的等离子体通过磁场托举在容器空中，且不接触有形的物体，因此这种装置不怕核聚变的高温。当控制核聚变反应能稳定持续地输出能量，就相当于发明了一个“人造太阳”，能够像太阳一样给人类提供无限的清洁能源。

能够实现受控核聚变的应用，产生核聚变能（例如发电）的装置叫做聚变反应堆。当前全世界研究核聚变的科学家和有关国家的政府机构（包括有欧盟、俄罗斯、中国、美国、日本、韩国和印度），正在致力于国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER）计划的实现。2020年7月28日，ITER计划重大工程安装启动仪式在法国举行，确定在法国南部的卡达拉奇建造一个可自持燃烧的托卡马克聚变实验堆。

托卡马克聚变反应堆

建造ITER计划的聚变实验堆目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性，但不会用于电网发电。按照核反应堆开发的一般过程，需要经历四个阶段：实验堆、原型堆、示范堆和商业堆。聚变实验堆实验阶段结束后，至少还需进行示范堆建设，为最终实现商业堆开发做准备。因此，核聚变堆的商业化及发电应用仍然任重道远，据估计最早也要到2050年才能实现。

全超导托卡马克主机（中国科学院等离子体物理研究所）

值得一提的是我国在这一领域走在了世界的前沿。中国科学院等离子体物理研究所建造的“先进实验超导托卡马克(EAST)——东方超环”使我国成为了世界上少数几个拥有全超导托卡马克装置的国家。中核集团核工业西南物理研究院建造的“中国环流器二号M装置（HL-2M）”于2020年12月4日建成并实现首次放电，标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下了坚实的基础。此外，于2017年开始我国也在开始实施自己的核聚变实验堆项目——中国聚变工程实验堆（CFETR），预计在2035年建成聚变工程实验堆。

中国环流器二号M装置（HL-2M）

参考文献

[1] 中国核能行业协会， 2019年1-12月全国核电运行情况.

[2] 国家核安全局, https://nnsa.mee.gov.cn/hdcfbt/

[3] 马栩泉. 核能开发与应用(第二版). 化学工业出版社, 2014.

[4] 杨青巍, 丁玄同, 严龙文, 钟武律. 受控热核聚变研究进展. 中国核电, 12(5): 507-513, 2019.

[5] 文中图片均来源于网络.

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