人造太阳计划 解决地球人类能源危机新方案

伤我心太深

今天的人类正面临着几个重大困境，其中之一是能源危机。为了解决地球能源危机，有科学家提出人造太阳计划。
全球能源严重依赖化石燃料，也就是煤、石油、天然气燃烧产生的能量，而这些燃料在地球上的储量是有限的，根据目前的使用速度，将分别在几十年到几百年不等的时间内消耗殆尽。缺乏能源将让人类社会逐渐陷入黑暗时代，经济发展将停滞不前，甚至倒退。


人造太阳

　　而在能源危机转变成灾难之前，全球变暖和污染已经成为人类社会的另一大困境。化石燃料的使用会带来大量的空气污染物，并向大气中释放大量的二氧化碳，二氧化碳气体会让更多的太阳辐射留在地表附近，造成全球变暖，引发环境动荡。
　


　人类该如何走出这些困境？

　　核聚变真美好

　　其实对于能源危机，有一个让人类梦寐以求的解决方式――核聚变。
　　我们抬起头看看光芒四射的太阳，它已经熊熊燃烧了50亿年，太阳的能源就是核聚变。具体来说，太阳内部的核反应是氢原子核聚合，最终形成氦原子核，在这个聚合的过程中，释放出大量的能量。根据物理学规律，2个氢分子聚合成1个氦分子，并释放出17.6兆电子伏特的能量（1电子伏特约为1.6×10-19焦耳），大概相当于4.4×10-26度电。
　　和太阳内部的核聚变不同，目前人类建造的核电站，都是用的核裂变原理，让铀等放射性元素发生分裂，在这个过程中产生了大量的能量。可是，核裂变发电站产生的废料具有很强的辐射性，如何妥善处理是世界难题。核聚变同核裂变相比，相同质量的核燃料会释放出更大的能量，而且反应产物很清洁，比如氦气，它就是一种惰性气体，对人体没有危害，也不会造成环境污染。
　　如果能够利用核聚变产生的能量，那么人类社会面临的能源危机将一举解决！就目前全世界探明的铀的储量来看，以现在的能源消耗速度计算，通过铀核裂变最多只能满足人类社会几千年的能源需求。而如果通过核聚变，比如利用氢的同位素氘，它在海水中的总量有40万亿吨，按照目前的能源消耗速度，海水中氘含有的聚变能足够人类使用几百亿年！也就是说，即使到了50亿年后太阳的能源耗尽，太阳系灭亡的那天，聚变能也用不完。



　　实现可控核聚变，困难重重


　　核聚变如此美好，为什么我们还不立刻使用呢？因为要让核聚变为人类和平利用，有许多技术难关需要攻克。
　　第一个难关是反应温度。理论计算表明，如果单纯是氢核聚变，反应温度至少要达到10亿度；而如果使用氢的两种同位素――氘和氚作为反应原料，所需要的反应温度也接近1亿度，如此可怕的高温连太阳中心都达不到，那里的温度只有约1500万度，太阳之所以还能发生氢核聚变反应，完全是因为太阳的质量非常巨大，中心承受的压力难以想象的高，才让氢核聚变反应在“较低”的温度下可以进行。而太阳的质量占了太阳系总质量的99.8%，我们不能指望在地球上创造出那么大的压力。可是如何在地球上实现1亿度高温的反应条件呢？

　　第二个难关是可控。其实人类已经在地球上制造出了核聚变，那就是威力强大的氢弹。氢弹就是利用氢的同位素氘和氚的原子核产生核聚变反应，释放出巨大的能量来杀伤敌人的核武器。为了获得足够高的核反应温度，氢弹一般是由小型的核裂变原子弹来引爆的，原子弹爆炸瞬间制造了足够的高温，于是氢弹也被引爆了。
　　但是，氢弹是不可控制的，它一旦被引爆，我们只能欣赏巨大蘑菇云的风采，却完全无法利用它释放出来的巨大能量。要让核聚变造福人类，这种反应必须是“收放自如”的，需要它产生能量的时候就启动反应，不需要的时候就停止反应。因此，可控核聚变才是人们追求的目标。


　　第三个难关是总输出能量要大于总输入能量。虽然从理论上核聚变可以产生巨大的能量，但是要让可控核聚变反应得以发生，必然要先输入能量来启动反应，更不用说运转设备的能量损耗以及设备本身的成本了。就算是核聚变技术克服了高温难关和可控难关，也总得让人类能够赚到更多能量才有应用的价值。
　　利用核聚变获得能量的设想，自从爱因斯坦总结出质能方程的时代就被提出来了，核聚变说白了也是质量转化成了能量的过程。但是由于种种技术难关的阻碍，近百年来核聚变应用没有实质性的进展，人类社会依然以不可再生的、高污染的化石能源为主要能源。
　　输出能量大于输入能量！
　　2013年10月，一条爆炸性的消息从美国传出：美国劳伦斯・利弗莫尔国家实验室在核聚变技术上有了重大突破，他们实现了可控核聚变的输出能量大于输入能量！
　　
这个实验室是怎么做到的？

　　2009年，美国政府投资了几十亿美元给这个实验室，由科学家进行通过核聚变获得新的清洁能源的计划。他们的技术核心都凝集在“国家点火装置”上。实验室的面积有3个足球场那么大，有抽风除尘装置让整个空间非常清洁。巨大的空间可以让红外线激光经过总厚度约1.6千米的复杂的透镜、晶体构成的光学结构的折射，转化成一束比家用灯泡的能量高100亿倍的激光。随后，这束超强激光被分解成192束激光源，并汇聚在实验室中央的一个很小的密封舱内。密封舱内是氘、氚燃料微粒，被特殊的外壳包裹着。当激光射入密封舱，并撞击氢燃料微粒时，在数十亿分之一秒的时间内，氢燃料微粒承受了巨大的压力，高能量的激光让氢燃料微粒的外壳爆炸，同样产生了压迫燃料的作用。在这种极端的环境下，氢燃料就好像被放置在了巨大的太阳的中央，核聚变即刻发生，释放出巨大的能量。整个核聚变过程与太阳中心的反应十分相似，因此人们把这个实验室制造出来的核聚变场景称为“人造太阳”。

　　这个过程就好比是192门激光炮，在十亿分之一秒内同时发射，所有“炮弹”集中轰击铅笔头大小的密封舱，其准确度就好比要从500多千米远把一个篮球扔进篮筐，要达到这样的准确度，激光装置必须零震动、零热胀冷缩，所有机械的安装也要非常精细，许多10吨重的设备的安放位置误差不能超过100微米。
　　苛刻的实验条件很难达到。几年来，在科学家的改进下，仪器设备的性能不断提升，终于在2013年9月的一次实验中，核聚变产生的能量超过了为引发核聚变由激光输入的能量。这是一个了不起的突破！

　　不过，由于国家点火装置系统不能把激光的能量100%地传输给核聚变燃料，而且产生激光的点火过程也要消耗部分能量，因此本次实验中，核聚变产生的能量还没有超过从激光点火一刻开始计算的输入能量。
　　而且目前国家点火装置只是实现了几个小时引发一次核聚变，而要真正建造一座能够持续提供能源的核聚变发电站，就要求每秒钟都能引发一次类似的核聚变过程。现实和理想还是有很大差距的。
　　尽管如此，这次实验给世人带来了希望，人类在可控核聚变梦想成真的道路上迈出了重要一步。

　　美丽的核聚变世界


　　除了探索可控核聚变之路外，实际上国家点火装置还可以用于恒星研究，因为它制造出了“人造太阳”的环境，科学家可以利用这种环境来模拟恒星的情况，探索恒星的内部结构以及演化方面的奥秘。
　　在利弗莫尔国家实验室的科学家看来，他们的装置证明了人类可以实现可控核聚变，而且当这种装置不断提高能源输出效率，实现总输出能源大于总输入能源后，将可以成为未来核聚变发电站的核心设备，给人类提供大量的清洁能源。一些科学家设想，也许再过十年左右，真正的核聚变发电站就能开始运转。由于海水中有丰富的氢同位素，海洋占了全球表面70%多的面积，因此核聚变发电站完全可以在全世界范围内大量兴建，每个大洲的海岸附近都可以分布成百上千的“人造太阳”，因为核聚变将变得很容易控制，规模也可以根据需要来设置，也不会对环境造成污染。

　　可控核聚变会给如今的世界能源产业带来剧变，目前巨无霸一样的石油公司可能不得不转行了，因为他们的石油将面临成本更低而且更清洁的核聚变能源的挑战。全世界也不需要大量进行铀浓缩，以生产核裂变燃料供给目前的核电站使用，于是全球的浓缩铀能够得到有效的控制，大大降低一些恐怖组织窃取浓缩铀制造核武器的机会，世界安全得到了保障。廉价而且清洁的能源将激发世界经济的再次大发展，同时地球环境也会越来越美丽。
　　美好的曙光已经从国家点火装置中显现，可控核聚变将拯救人类社会，根本性地解决困扰人类的能源危机。



人造太阳计划最新动态：面临破产


“人造太阳”ITER项目是由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方主导，35国共同参与的超级核工程，是目前世界上仅次于国际空间站的国际大科学工程计划。
由于其研究的受控核聚变获得能量原理与太阳释放光热相同，故也称为“人造太阳”。
不过据原核科工业第八研究所所长、研究员陈绍廉介绍，原计划于2019年完成建设的ITER项目正面临推迟可能，原因是难度太大。
公开资料显示，ITER实验堆高度为24米，直径30米，计划产生等离子体的体积为840立方米，维持时间为400秒，聚变能500兆瓦。
至于近年来逐渐被更多人关心的核安全问题，陈绍廉向中国新闻网等媒体解释称：“核电站能量的释放方式是缓慢受控制的，所以核电站不会像原子弹一样发生爆炸。在核电站的设计和建设中，核岛有四道屏障，核电站周围的辐射剂量相当于做一次X光透视的十分之一。并且，国家核电站选址标准非常严格，核电站必须远离地震断裂带和历史地震界别高的地方。”

EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置

中国人造太阳计划

图为超高功率脉冲装置聚龙一号放电瞬间

聚变能源，作为人类梦寐以求的终极能源，也被誉为“人造太阳”，一旦实现商业发电，将从根本上解决人类能源问题。从美国国家点火装置到国际热核聚变实验堆(ITER)计划，无不是为这一终极目标而探索。

有关中国人造太阳计划，请参考这篇文章：“神光计划”863超级工程揭示中国激光武器



为在这场漫长曲折的终极能源探索中，升起来自东方的“中国太阳”，我国唯一的核武器研制与生产单位中国工程物理研究院，正是其中一支隐秘而伟大的先锋力量：从1967年成功研制出我国第一颗氢弹，用惯性约束聚变的方式实现核聚变反应至今，该院通过军民融合的全国大协作，不断打破国外技术封锁，不断冲击世界先进，逐步建立相对完整、独立自主的惯性约束聚变研究体系，建成神光-Ⅲ、聚龙一号等多套大型科学实验装置。


日前，科技日报记者应邀走进中物院，探寻这里军民融合发展，追逐我国聚变能源梦的峥嵘历程。
聚变反应，基本原理是通过使氢的同位素结合，产生氦和中子释放巨大能量。目前全球科学家们聚焦研究、可能实现可控核聚变的途径主要有两种，即磁约束聚变和惯性约束聚变。前者是通过强磁场较长时间约束高温稀薄等离子体使之发生聚变反应，例如ITER计划。后者原理类似氢弹，是利用多种高能量驱动方式形成高温高压环境，使氘氚靶丸实现热核聚变点火和燃烧，从而释放出更为巨大的能量。由于它可控、清洁、高效和资源充足，就像是装在“瓶中的太阳”。

从上世纪60年代起，惯性约束聚变研究作为我国科学家与国际同步提出、同步研究的终极能源道路，于诞生之初便是我国军民融合研究的典范。其理论雏形，最早来源于“利用爱因斯坦的受激辐射原理，将激光放大后照射氘氚产生中子的实验建议”。这是由我国著名科学家、曾任中物院副院长的王淦昌先生在上世纪60年代，与国外科学家同期独立提出的。随后，为我国氢弹理论突破作出重要贡献的于敏先生明确了惯性约束聚变的实现路径。


“你们知道激光的名字是谁取的？神光系列又怎么得名？”中物院副总工程师张小民说，“‘激光’一词是1965年由钱学森先生提出的，而在1966年，钱老听说了惯性约束聚变的构想后对此评价：你们的事业是在地球上人造一个小太阳。”

上世纪80年代，中国工程物理研究院与中科院通过科研合作，共同组建了惯性约束聚变研究团队，并成立了国内第一个惯性约束聚变专业实验室，开展理论、实验、诊断、制靶、驱动器“五位一体”实验。1985年该项研究迎来重大成果，我国首台实现两路光源、千焦耳级出光，并可用于激光约束聚变科研的大功率激光器在中物院诞生，张爱萍将军曾亲自为它命名为“神光”。这就是目前我国神光-Ⅰ、神光-Ⅱ、神光-Ⅲ系列名称的来源。


在国际聚变科研领域，无论是磁约束聚变，还是惯性约束聚变，都是世界各个科技大国暗自角力的战场。而我国的惯性约束聚变路线之所以在技术封锁的环境下，与世界科技强国并驾齐驱，正是由于它的军民两用特殊性质。“惯性约束聚变是在高温、高压、高密度条件下的实验。这实际上是与武器物理有关联的。目前在全球科学界对于聚变能源的探索中，惯性约束聚变是一个非常典型的军民两用技术。”张小民说，由于惯性约束聚变可用于未来清洁能源开发，各科技大国纷纷投入巨资开展研究，竞相争夺这一高技术领域的战略制高点。目前，随着我国对聚变科研的不断重视、新老科学家们前赴后继的努力，惯性约束聚变相关领域的研究正不断取得新突破。


作为开展高能量密度物理和惯性约束聚变研究的首台十万焦耳量级高功率激光装置，“神光-Ⅲ主机装置”，已在中物院基本建成。作为亚洲最大，世界第二大激光装置，神光-Ⅲ主机装置共有48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。2015年2月，神光-Ⅲ主机装置六个束组均实现了基频光7500焦、三倍频光2850焦的能量输出，激光器主要性能指标均达到了设计要求，这标志着神光-Ⅲ主机基本建成，我国成为继美国国家点火装置后，第二个开展多束组激光惯性约束聚变实验研究的国家。



2014年12月27日，中物院聚龙一号装置建设项目通过国家验收。作为国内首台多路并联超高功率脉冲激光装置，其采用超高功率脉冲装置驱动柱形金属丝阵负载，使其汽化并向轴心箍缩（即Z箍缩），技术指标达到国际同类先进水平。中物院脉冲功率技术及应用研究室主任王勐说，聚龙一号输出电流达到800至1000万安培，电流脉冲上升时间小于千万分之一秒，瞬间功率超过20万亿瓦，相当于全球平均发电功率的2倍。截至今年5月，该装置进行近170次试验，取得了一批达到国际先进水平的物理实验结果。它的研制成功标志着我国成为少数几个独立掌握数十万亿瓦超高功率脉冲加速器研制技术的国家。

在国家大力支持下，在几代科学家的不懈探索中，中物院惯性约束聚变科研及系列科学大装置，不仅正为武器物理研究提供重要的支撑力量，同时也为人类开展远期聚变能源研究提供重要手段