人類真的能造出“太陽”嗎，中韓兩國相繼突破，人造太陽為何重要

在這個即將過去的2020年，我們經歷了太多終身難忘的事情，同時也見證了許多科技上的重要新聞。除了關於新冠疫情的疫苗和今年紅紅火火的航天新聞之外，還有一條新聞在年底非常重要，那就是中國和韓國先後在人造太陽領域取得重大突破。

人造太陽，聽起來是一個非常高端的名詞。那麼，人類要造出什麼樣的“太陽”？人造太陽究竟有何意義呢？
新能源

在氣候日益惡化的今天，節能減排已經成為了人們關注的焦點。在開發風電、太陽能電池的同時，科學家們還將希望寄託於另一個重要的能量來源——核反應。我們知道，核反應可以產生出巨大的能量，相信任何一個聽說過原子彈和氫彈的人都不會否認這一點。

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現在我們已經開始利用核能來發電了，比如著名的秦山核電站、大亞灣核電站等。這些核電站固然提供了許多的清潔能源，但其中也有一個問題，那就是它們的反應原理都是核裂變。也就是說，本質上講，現在使用的核電站原理都類似於原子彈。而科學家目前希望能夠建造的，是核聚變的發電站，也就是類似於氫彈的原理。
那麼，同樣是核反應堆，為何我們已經有了核裂變的發電站，還要追求核聚變的發電站呢？後者到底有何優勢呢？

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（圖片說明：秦山核電站）

核聚變反應堆的優勢

• 能量：這兩種核電站之間的區別有一點顯而易見，那就是能量的釋放。大家都知道，氫彈比原子彈的威力要巨大得多，可以想像，核聚變也能比核裂變產生更多的能量，僅僅1升 海水中所含有的少量的氘，就足以在核聚變中釋放出相當於300公斤汽油燃燒所釋放的熱量，可見其能量轉化率之高；
• 儲量：不僅如此，核聚變的原料也比核裂變的原料儲量更大，其主要原料氘（即帶有一個中子的氫同位素）在海水中的儲量達到了40萬億噸，足夠人類使用一百億年；
• 安全性：核裂變的反應產物中有高速的中子，具有極強的放射性，這也是核裂變反應堆危險的重要原因；相比之下，核聚變的產物氦就沒有放射性。此外，核裂變是鏈式反應，而核聚變則不然，一旦溫度下降到臨界點以下，就會中止反應，這從根本上就杜絕了像切爾諾貝利事件這樣的核災難。
  

由此可見，核聚變反應堆確實是人類未來必不可少的新能源。那麼，為何它直到今天都還沒有廣泛使用呢？沒有辦法，因為想要按照人類的意願使用核聚變來發電，目前還是做不到的。
可控核聚變

理想很豐滿，現實很骨感。就像氫彈比原子彈難得多一樣，核聚變的實現也比核裂變難得多。畢竟我們不能靠氫彈來獲得能量，而是要讓核聚變按照人類的需求可控、穩定地進行下去，也就是所謂的可控核聚變。

首先，我們就要提供足夠高的溫度和壓力才行。要知道，氫彈都是要利用小型原子彈來引爆的，可見核聚變對於條件要求之高。這樣的反應在宇宙中其實並不少見，包括太陽在內的恆星核心處都能夠進行這樣的核聚變，因此可控核聚變也被稱為人造太陽。但是，太陽內部的溫度高達1500萬攝氏度，壓力也是地表大氣壓的3000億倍，這對於人類來說的確非常困難。
而且，就算提供了這樣的能量和壓力，用什麼樣的容器來容納這些核燃料，也是一個問題。
那麼，人類該如何容納這樣一個極端條件下的人造太陽呢？

超導托卡馬克

可以想像，至少在我們的認知中，沒有任何物質可能在數千萬甚至一億攝氏度的條件下還不融化的。
有趣的是：既然沒有任何物質能夠容納，這句話聽起來是個否定句，但科學家卻把它當作肯定句來理解：不如就用“沒有任務物質”來容納它，那就是真空。可是問題在於，我們就在地球上，是受到地心引力的，就算能打造出高度真空的環境，又該如何保證內部的核燃料不掉落下來呢？

上個世紀50年代的時候，蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人提出了一種環形結構，成為瞭解決這個問題的答案。
我們知道，宇宙中有四種基本作用力，其中有兩種長程力，那就是電磁力和引力。因此，他們指出：只要我們打造出合理的磁場，就可以通過磁約束將這些等離子體核燃料束縛在真空環境中。由於他們設計的這套裝置包含了環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、線圈（kotushka）這幾大要素，所以他們將這幾個單詞組合在一起，將這種裝置命名為托卡馬克（Tokamak）裝置。

後來，為了提供更強的磁約束，科學家們又提出了必須利用超導技術，所以現在我們開發的裝置叫做超導托卡馬克裝置。
不過，理論提出來了，實際實施卻面臨著重重困難。如今，托卡馬克的概念已經提出了70年，人類卻依然無法真正實現這個裝置。人造太陽，依然遙遠。
閃耀吧，人造太陽！

1985年，為瞭解決超導托卡馬克裝置的問題，美、蘇、歐、日共同啟動了"國際熱核聚變實驗堆（ITER）"計畫。2006年，在法國愛麗舍宮，我國代表正式簽署協議，加入到了ITER計畫中。2020年7月28日，ITER計畫重大工程安裝啟動儀式在法國該組織總部舉行。
在人造太陽領域，我國可以說是走在了世界的前列，多次取得重大突破。最近的一次大家可能也聽說過，就是在2020年12月14日，位於成都的新一代“人造太陽”——中國環流器二號M裝置（HL-2M） 正式建成並首次實現放電，在內部溫度高達1.5億攝氏度的恐怖條件下依然保持穩定。

正所謂是好事成雙，在我國人造太陽取得新高度之後不久的12月28日，韓國超導托卡馬克先進研究(KSTAR)中心的人造太陽成功實現連續20秒維持1億攝氏度的運行，這創造了全新的世界紀錄，將可控核聚變的時間再次延長。顯然，這個時間仍然不足以穩定地實現供電，但這樣的突破仍然值得慶賀，這讓我們離可控核聚變又近了一步。

可以想像，如果可控核聚變真的開發成功，並且投入商用，那麼人類面臨的能源危機和全球變暖效應都將得到完美的解決。因此，世界各國也才不遺餘力地投入到人造太陽的研究，希望早日夢想成真。
和穿梭宇宙、長生不老相比，這樣幾乎無盡的能源看起來離現實更近一些。甚至有科學家推測，最早在2040年，我們就可以用上人造太陽所發出的電。到那個時候，人類的科技勢必將會在強大能源的保證下繼續突破，實現飛躍。如果科學家能夠開發出更小規模的人造太陽，那麼人類飛出太陽系，恐怕也不再是一個夢了！