“人造太阳”：开启能源新纪元的钥匙
“人造太阳”：开启能源新纪元的钥匙
2025年3月9日，中国科学院合肥物质科学研究院团队研制的聚变堆主机关键系统综合研究设施——八分之一真空室及总体安装系统（以下简称“安装系统”）通过专家组验收，其系统研制水平及运行能力达到国际先进水平。
图片来自央广网
什么是“人造太阳”？
简单来说，“人造太阳”就是模拟太阳内部的核聚变反应，实现可控核聚变，从而为人类提供清洁能源。核聚变，是将两个轻原子核结合成一个重原子核的过程，这个过程会释放出巨大的能量。太阳内部的核聚变燃料是氢的同位素氘和氚，在地球上，这些燃料也极为丰富，尤其是氘，仅在海水中的储量就高达45万亿吨。更重要的是，核聚变反应排放无污染，一旦实现可控核聚变，人类将有望摆脱对传统化石能源的依赖，真正实现“能源自由”。
八分之一真空室及总体安装系统：“人造太阳”的关键基石
此次通过验收的八分之一真空室及总体安装系统，是聚变堆主机关键系统综合研究设施19项子系统中的关键一项，它的成功验收意义重大。从外观上看，该系统主体平台形似巨型“橘子瓣”，采用D型截面双层壳体结构，总高20米，D型截面高11米，最大环向直径19.5米，真空室壳体采用50毫米厚的超低碳不锈钢材料，重295吨。未来，8个这样的“橘子瓣”合而为一，将组成一个完整的真空室，为下一代“人造太阳”提供核心的运行空间，上亿度的等离子体将在其中“燃烧”。
这个系统旨在解决大型聚变堆真空室设计、成形、焊接、装配和无损检测等关键技术，同时为未来聚变堆主机真空室内部部件的安装、检测、调试和遥操作研究提供一个全尺寸的综合实验平台。中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所研究员、安装系统负责人刘志宏介绍，在研制过程中，科研团队构建了高载荷、强磁场、强辐照等极端工况设计与标准体系，掌握了多项关键技术，形成了40余项发明专利。这些技术不仅应用于“人造太阳”项目，还拓展到粒子加速器、精密机械、电子科技、半导体等领域，带动了相关产业的技术进步。
核聚变研究的艰难历程与中国成就
实现可控核聚变的道路充满荆棘。要在地球上实现核聚变反应，需要满足极为苛刻的条件：真空环境下等离子体温度要达到1亿摄氏度以上，同时还要实现1000秒的连续运行时间和1兆安的等离子体电流。这意味着要将“超高温”“超低温”“超高真空”“超强磁场”“超大电流”等极端环境集成在一个装置中，其难度可想而知。
为了实现1亿摄氏度高温，科学家们使用了多种加热手段，例如微波加热。家用微波炉的功率一般在500瓦左右，而像全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）这样的“人造太阳”装置，使用了4种大功率加热系统，总功率达到34兆瓦，相当于家用微波炉的数万倍。不仅如此，由于地球上最耐热的材料也只能承受几千摄氏度，科学家们利用磁场做成“笼子”，来承载上亿摄氏度的高温等离子体，EAST内部的磁场强度达到地球磁场强度约7万倍。
在核聚变研究领域，中国科学家们经过几十年的不懈努力，取得了一系列令人瞩目的成就。中国环流一号装置于20世纪80年代建成，是我国核聚变领域第一个国家大科学工程装置，虽然现已退役，但它为我国后续的核聚变研究奠定了基础。随后建成的中国环流二号创造了很多“中国首次”，推动我国核聚变研究实现从原理探索到大规模装置实验的跨越。备受瞩目的新一代人造太阳“中国环流三号”于2020年建成，是目前我国规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，总高8.39米，直径8米，等离子体离子温度可达1.5亿度，是太阳核心温度的10倍。2023年，中国环流三号首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，标志着我国磁约束核聚变装置运行水平迈入国际前列。
此外，我国自主设计、研制并拥有完全知识产权的东方超环（EAST），作为世界上第一个非圆截面全超导托卡马克，也是我国第四代核聚变实验装置，在高性能、稳态、长脉冲等离子体研究方面取得了多项原创性成果，2018年度实现了等离子体中心电子温度达到1亿度的重大突破。
“人造太阳”的未来展望
随着聚变堆主机关键系统综合研究设施各子系统的相继研制成功并投入运行，从基础研究到技术验证和工程应用的完整链条正逐步形成，为聚变堆的设计、建设、运行奠定了坚实基础。若“人造太阳”能成功实现商用，将会给人类社会带来翻天覆地的变化。
在能源领域，它将彻底解决能源短缺和环境污染问题。核聚变能源清洁、高效，几乎取之不尽用之不竭，届时，我们不再依赖煤炭、石油等化石能源，减少温室气体排放，缓解全球气候变暖。在工业生产中，廉价且充足的能源会降低生产成本，推动各行业的快速发展，催生新的产业和技术革命。在日常生活中，人们的能源消费成本大幅降低，生活质量显著提高。比如，可控核聚变产生的电能，可能使电价大幅下降，像海水淡化等需要大量能源的工程变得经济可行，让淡水资源不再稀缺，进而改变农业、生态等多个领域的面貌。
尽管目前距离实现核聚变能源的大规模商用还有一段距离，但每一次的技术突破都让我们更加接近这个目标。中国下一代“人造太阳”关键系统的成功验收，无疑是核聚变研究道路上的一座重要里程碑，它凝聚着科研人员的智慧和汗水，也让我们对未来充满希望。相信在不久的将来，“人造太阳”将照亮人类能源发展的新征程，开启一个全新的能源时代。