探访“人造太阳”项目：有望2050年点亮你家灯泡

本篇文章2285字，读完约6分钟

想象有一天，当地球资源面临枯竭时，人类能使用“人造太阳”来获取能量吗？

来自包括中国在内的30多个国家的顶尖科学家齐聚一堂，世界上最大的科学合作项目——国际热核试验反应堆项目正在有序进行。因为这个项目模拟了太阳内部的核聚变原理，所以这个项目有一个更生动的名字:“人造太阳”。

视线转移到成都，一个500人的团队正夜以继日地为这个位于双流区黄荆路5号的项目忙碌着。

去年10月，由四川团队自主研发制造的国际热核聚变堆芯组件首墙率先通过了世界权威机构的认证。这是四川智慧对这个被称为人类历史上伟大事业之一的项目做出的巨大贡献。

10月20日，华西包的一名记者(封面新闻)走进团队，深入参观“人造太阳”工程背后的“四川电力”。

特别提醒

今天的封面新闻视频聚焦“人造太阳”

解决人类能源的终极问题

它承担着在下一个世纪甚至几百年为人类寻求新的清洁能源的使命，涉及30多个国家，世界上最大的科学合作项目——国际热核试验反应堆项目(iter)正在许多国家开展。国际热核聚变实验堆在法国建造，建设预算约为55亿美元；在技术方面，中国将承担约9%的R&D和制造任务——具体由中国科学院西南核工业物理研究所和等离子体物理研究所的科学家承担。其中，位于成都的西南核工业物理研究所负责大约一半部件的研发。什么是“人造太阳”？它将如何解决人类能源的终极问题？请扫描代码，下载并登录封面新闻应用，跟随相机，感受这个伟大的科学项目背后的“四川力量”。

巨大的能量

在1亿℃的高温下实现等离子体控制核聚变

万物生长在太阳上。作为太阳系的主要恒星，核聚变反应不断在太阳内部发生，这为地球提供了源源不断的光和热。

我们如何实现“人造太阳”？科学家们想出了一个办法，那就是用磁场悬浮一个温度上亿摄氏度的等离子火球，而不接触它周围的任何容器材料。此时，它可以被加热和控制，从而实现“受控核聚变”和“人造太阳”。

等离子本质上是“波西米亚式的”，更喜欢漂移。如何控制它？在西南核工业物理研究所，有一个特殊的装置来容纳这个火球，即中国循环器二号托卡马克装置。它的主体是甜甜圈状的，有几十条“触须”从四个GAI边缘延伸出来，形状像星星。在装置内部，一个封闭的磁场由许多铜导体线圈产生，以抑制分散等离子体的行为。

如果测试设备被视为微波炉，西南核工业物理研究所研究员、高级工程师黄梅正在努力保持设备升温。微波炉的加热方式有很多种，黄梅就是其中之一，被称为“电子回旋波加热”。“简单地说，就是通过微波注入等离子体，给微波炉加火，并保持内部温度上升，这样食物就能更快地被烹调。”

目前，托卡马克装置的温度已经上升到5500万℃，这是目前国内装置达到的最高温度。“为了实现受控的核聚变反应，必须达到1亿摄氏度以上的高温和足够高的密度。如果由于某种原因不能满足条件，聚变反应将停止。”对于黄梅来说，如何持续加热设备以满足“点火”要求是他们将继续面临的课题。

40万亿吨氘将解决人类能源问题

数百人的团队围坐在手术大厅周围。看着眼前的两个大屏幕，我观察到了相关参数的变化，我不敢眨眼，生怕漏掉任何线索。

这种高度紧张的状态，工作了十年，钟武夫每年都要经历两轮。通常春季实验从三月到五月，冬季实验从十一月到临近农历新年。内部人士称，每一次实验都是“一次尝试”。由于高功耗，每次实验的点火时间通常为1-2秒。？

作为血浆诊断的“专职医生”，钟通过各种实验发现了血浆在约束过程中的变化。两枪之间的间隔很短，只有8分钟。因此，他们必须在8分钟内做出判断并调整相关参数的设置。"离聚物的变化非常快，达到微秒或毫秒级."因此，业内有一种说法，五年内不可能进行等离子体分析和物理实验。像钟武夫这样的工作分工更为复杂。

如此复杂和庞大，为什么要启动“人造太阳”计划？在工业界看来，核能包括两种方式:核裂变和核聚变。原子弹是核裂变的原理；氢弹和太阳是核聚变的原理。人工太阳能工程，即“可控热核聚变能源”，因其固有的安全性、无污染的优点和丰富的燃料资源，被认为是人类最理想的清洁能源。

核工业西南物理研究所聚变科学研究所副所长徐岷进一步解释说，最容易的核聚变能量来自氢同位素、氘和氚的剧烈反应。从一升海水中提取的氘可以通过完全聚变反应释放相当于燃烧300升汽油的能量。科学家初步估计，地球上的海水中大约有40万亿吨氘。另一方面，它的环境可接受性相对较好，因为聚变反应的产物是氦，它没有放射性。在科学家的眼里，核聚变一直被认为是解决未来能源问题的希望。

相关链接

创新推动经济转型

到2020年，科技进步将为四川经济增长贡献60%

许多世界著名的成就，如歼-10、c919和翼龙无人机，都是四川制造的。北斗卫星移动通信系统和第三代核电技术等一系列重大关键共性技术取得突破，电子信息、航空空航天和核技术领先全国。参与国际热核聚变实验堆(iter)项目取得积极进展，纳米薄膜制备、复合材料工艺集成等关键技术达到国际领先水平...以创新带动发展，四川正全力打造经济发展的新引擎和新动力。

今年年初发布的“十三五科技创新规划”提出，到2020年，全省科技实力和创新能力将大幅跃升，综合创新改革试验将取得重要成果，科技体制改革将取得重大突破，群众创业和创新将蓬勃发展，全省将进入创新驱动发展阶段，创新型经济结构将初步形成，加快建设国家创新驱动发展示范省和创新型四川。到“十三五”末，全社会对R&D的资金支持将占地区国内生产总值的2.0%；R&D规模以上工业企业投资占主营业务收入的比重提高到0.8%；每万人发明专利数为7.5项；每10，000名就业人员的死亡率；d(研发)人员数量达到32人/年/万人；技术市场交易额达到400亿元；具有基本科学素养的公民比例为8%；高新技术企业5000家，高新技术产业总产值超过2万亿元，其中工业总产值占工业总产值的30%以上；科技进步对经济增长的贡献为60%。

什么是人造太阳？

用磁场悬浮一个温度超过1亿℃的等离子火球，不接触任何周围的容器材料。然后对其进行加热和控制，实现“受控核聚变”，从而实现“人造太阳”。

徐岷，核工业西南物理研究所聚变科学研究所副所长:

在研究“人造太阳”的过程中，将会有许多尖端技术，期望通过核聚变来点亮灯泡。

“人造太阳”核心部件中国项目总工程师王平怀:

它需要一个特殊的结构来及时传递热量，这只是两种材料的连接过程。该项目组已经提交了十几份国家专利申请。

黄梅，研究员，西南核工业物理研究所高级工程师:

等离子体本质上是“野生”的，中国环行器2号托卡马克装置是专门用来抑制分散等离子体行为的。

血浆诊断“专职医生”钟:

当离子体的变化达到微秒或毫秒级时，需要在实验间隔的8分钟内做出判断并调整相关参数的设置。

表情的变化

冷静、坚定、不苟言笑。中国项目总工程师王平怀是“人造太阳”的核心组成部分，他有一张标准的“科学面孔”或“工程男性”面孔。外面的噪音很难在他脸上激起太多的波浪。当你说话的时候，严谨和极端的风格会让渴望在谈话中找到突破点的听众忍不住发疯。只有提到“第一堵墙”，他的表情才会像解冻的泉水一样慢慢舒展，他的脸上才会流露出一种说不出的喜悦，一圈又一圈的荡漾。去年12月，由王平怀团队自主研发制造的国际热核聚变核心组件“第一墙”率先通过了世界权威机构的认证。落后美国20年的中国科技，已经从“跟随并运行”跃升为“领先”。

寻找材料需要十年时间

将美国垄断技术的成本降低90%

第一面墙是什么？实验装置中的聚变材料总是释放出高强度的热辐射。核心区域的最高温度可达1亿摄氏度。如果材料性能不好，它会被高温瞬间熔化，或者反应堆的锅炉会熄灭。王平怀说，要建造“人造太阳”的核心，需要特殊的材料来建造“防火墙”，以抵御设备内部数亿度的高温环境。在整个国际热核实验堆计划中，许多国家都在开发这种高温堆芯材料。这种由中国科学家开发的材料位于反应堆的核心位置，直接面对高温聚变材料，因此被称为反应堆的“第一壁”。2006年，中国正式加入国际热核聚变实验堆(iter)，并接受了发展热核聚变反应堆核心部件的工作。十多年来，王平怀的团队开始了一条征服“第一堵墙”的漫长科研之路。王平怀说，要找到“第一堵墙”，第一关就是材料。面对数亿摄氏度的高温，任何普通的材料都会在瞬间消失。当时，业界普遍认为一种特殊的金属材料具有很高的耐热性，是最佳选择。当时，在世界上拥有这种材料的高纯度提取和制造技术的国家中，美国处于技术垄断地位。这种高纯度金属材料每公斤已售出100多万元。由于材料短缺，美国只少量出售。“大多数时候，你不能用钱买它。”王平怀说道。为此，从2004年到2013年，团队成员开始提取高纯度金属材料，并开发了十年的特殊材料。王平淮团队自主开发的材料问世后，美国的垄断价格降低了90%。

丢失的模块决定命运

在一年半的时间里，我失败了十几次

单程列车从成都平原出发，经过近30个小时，到达秦岭山顶，然后到达黄沙和长城外的苏三，最后到达宁夏的一个小镇。从2014年到2015年10月，这条长达1300公里的铁路线成了王平淮项目组32名成员的噩梦，项目也遭遇了真正的低迷。在解决了“第一堵墙”的物质问题之后，王平怀接下来要解决的是结构问题。研究人员想到了一种特殊的结构来及时转移热量。它是一个夹层结构，底部是不锈钢，中间是铜合金，顶部是特殊的高纯金属材料。然后用特殊的方法将这些材料结合在一起。如何将两种完全不同“个性”的材料组成一个完整的功能部件，成为他们面临的新问题。“可以说，这也是我们过去五年中最痛苦的历程。”王平怀坦言，两者的身体差异太大了。顶层的金属材料由最轻、最活泼的碱金属元素组成，其导热系数是铜和金的两倍多。当它们被强制连接在一起时，会形成一个新的相，该相容易变脆和断裂。特别是在2013年底，iter改变了相关设计，这使得“第一面墙”的要求更高。

这一过程的困难也导致“第一墙”R&D团队经历了一年多的低迷。改变设计后，他们制作的模块成功率不到20%。

王平怀仍然记得那个阴沉的日子。由于四川没有相关的加工厂，每个模块的最终加工都要送到宁夏。从设计到检测大约需要三周时间。30小时的旅程很累，但对于那些发送模块的人来说是充满希望的。

从成都到长城，风景一路变化。所有这一切对项目团队的成员来说都是毫无意义的，不管那无限的风景。包里的几公斤模块更像是整个项目团队的未来和命运以及“第一堵墙”。

王平怀记得，每次一名队员拿回一个模块，32个人就会围住两名检查人员。那一刻，空的气似乎凝固了，大气不敢出，生怕吹走好运。检测过程非常短。很快，人群中的低气压开始扩散。当他们互相看着对方时，有些人只是摇头叹息。"当时，小组里的气氛太压抑了。"王平怀说，医院的领导应该在公开场合默默为他们加油。

很高兴他们终于成功了

提交了十多项国家专利申请

这种气氛一直持续到2015年10月1日。

那天，人们正忙着休假，但“第一墙”的主要成员早早来到办公室，等着王平怀从远方归来。那次是他去宁夏送模块的。

有人自愿去车站接他，然后一路小心翼翼地护送他到办公室。在过去无数次的失败中，所有应该检查和整理的问题都被检查和纠正了。这一次，应该不会再有问题了。那天去考场的人不多，只有六七个人。王平怀清楚地记得，当他被两名负责检测的工人包围时，空气又凝固了。这一次，他们终于成功了。被压抑太久的项目团队气氛放松了，每个人都紧紧地拥抱在一起。作为这一创造性突破的结果，项目团队提交了十几份国家专利申请，仅仅是因为他们征服了两种材料的连接过程。

希望的源泉

核聚变的优势是显而易见的，要真正实现可控核聚变，使未来的发电并网，还有很长的路要走。

“人造太阳”接入电网发电

它有望在2050年点亮四川人的灯泡

到今年为止，国家“青年千人计划”学者、西南核工业物理研究所聚变科学研究所副所长徐岷已经在环行器2号A装置上工作了五年。

在过去的五年里，他们取得了许多成就。例如，实验装置的加热功率至少增加了一倍，并且有更多的加热装置。当装置运行时，内部燃料的温度一般为2000万~ 3000万℃，这可以在十毫秒甚至几毫秒内达到。此外，持续加热和寻找高温耐热材料如“第一墙”是未来的重要命题。

目前，38岁的徐岷仍在积极培养预备役部队，并成立了一个由全国各高校融合领域青年学生组成的研究小组。他们刚刚初步建造了中国最大的线性等离子体装置，旨在寻找适合建造核聚变反应堆的新型耐高温材料。“有一个问题，来自核聚变需要氘氚以外的另一种原料。只有在锶和锶之间发生剧烈反应后才能发生聚变。”徐岷说，氚的半衰期只有12.3年，每年一座100万千瓦的核聚变发电站将燃烧56千克氚。

氚作为地球上最稀有的元素，非常昂贵。徐岷说，最好的办法是在核聚变反应中产生氚，并使氚自我维持。这意味着燃烧的氚越多，产生的氚就越多。

尽管研究过程昂贵，核聚变实验可能需要几代人的艰苦努力，但徐岷对核聚变的发展仍然非常乐观。首先，在研究“人造太阳”的过程中，会有很多尖端技术。其中许多具有广阔的军事和商业应用前景。

就实验中使用的大功率微波技术而言，它可以广泛应用于通信领域，实现国产化，节省大量成本。其次，核聚变电站可以并网发电后，核聚变能源的生产成本相对较低，普通人可以负担得起。“目前，业内人士普遍认为，这个时间节点是2050年。我算过了。到时候，我应该能看到它。”徐岷说，他预计灯泡将通过核聚变点燃。

华西包——封面记者摄影雷源东

阅读

1亿摄氏度

血浆本质上是“野生的”。要实现受控核聚变反应，它必须达到超过1亿℃的高温和足够高的密度。目前，西南核工业物理研究所研制的托卡马克装置的温度已升至5500万℃，是目前国内装置达到的最高温度。如何持续加热设备以满足“点火”要求是一个持续的问题。

一百万元

要建造“人造太阳”的核心，就必须用一种特殊的金属材料建造一个防火墙，这种高纯度的金属每公斤售价超过100万元。从2004年到2013年，西南核工业物理研究所的团队已经开发特种材料十年了。现在，在自主开发的材料问世之后，美国的垄断价格已经下降了90%。

2050年

研究过程是昂贵的，核聚变实验可能需要几代人的艰苦努力。核聚变电站并网发电后，核聚变能源的生产成本相对较低，普通人可以负担得起。目前，业内人士普遍认为，这个时间节点是2050。