第494期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《人造太阳》
讲座题目：透视新科技——人造太阳
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：周志伟，清华大学核能与新能源技术研究院研究员。
郭 亮，中国科学院力学研究所。
讲座时间：2023年9月25日～10月1日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——人造太阳
讲座内容：
各位好！欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。在我们人类的认知当中，我们都知道天上有一个太阳，如果有人问一个太阳够吗？大多数人的答案都应该是肯定的。但是如果你问科研人员，答案却是否定的。他们会说不够，我们国家的科研人员正在研制“人造太阳”。“人造太阳”到底有什么用呢？欢迎您走进我们今天的节目。安徽省合肥市西郊有一座面积不足三平方千米的小岛，被称为科学岛。中国的“托卡马克”实验装置就坐落在这里，俗称“人造太阳”。它的中央是一个环形的真空室，看上去并没有什么特别。然而当它运行时，核心温度竟高达1亿摄氏度，相当于太阳核心温度的近七倍，这在全世界也是绝无仅有。然而，仅有这一个“人造太阳”，科学家依然不满足。中国最新的“人造太阳”装置，它的运行温度预计将突破1.5亿摄氏度。为什么我国科学家要接二连三地造太阳？这项工程又会面临怎样的挑战？
首先为大家介绍，这位是清华大学核能与新能源技术研究院的研究员周志伟老师，接下来给大家介绍的是中国科学院力学研究所的郭亮老师，欢迎两位！刚才，我们在短片当中已经看到了，这里面提到了一个“人造太阳”这个概念。可能很多人就会提出这样一个问题，“人造太阳”应该绝对不是我们习惯意义上宇宙当中的那个太阳，为什么还要把它叫做太阳？我们说太阳大家都知道，是我们日常生活中所有能源的源头，包括我们说平时咱们用的能源，不管是电还是油或者烧的煤炭，一系列风能、潮汐能等等，如果追根溯源到它的源头上，它其实全都来自于太阳。比如说我们说的炭，那么它是由木材转化过来的，那木材是怎么来的，其实就是由于太阳光合作用。那么长时间的这种累积，那么所有的这种能源，它都是不同形式的太阳能的这样一个转化（的结果）。
我们的太阳其实除了给我们带来光、热等等表面能看到的，其实最主要的贡献对于我们来说就是它的能源，所以我们就是仿造太阳的运作模式，来人为地做一个能源装置，主要是它的原理。产生能源的原理是一样的，都是核聚变，所以就叫做“人造太阳”。刚才您提到一个词核聚变，核聚变就是两个比较轻的这种（原子）核约束在一起，它就会变成一个比较重的（原子）核，在这个过程中间有一部分质量就损失掉了。那么在这个过程中间，就产生了大量的能量。比如说我手里有两个橘子，这两个橘子它单独都是一个个体，我将这两个橘子，把它俩挤压在一起，变成一个更大的橘子，你可以想象成类似于橡皮泥一样的，这两个橘子都有点儿像橡皮泥。我当把它俩靠得很近，经过撞击或者经过一系列的这种外部条件，比如加热加温等等，它俩“啪”就合在一起，合叫聚那变呢。就是在挤压的过程中，你可以想象两个橘子，它里边都有水，挤的时候可能有一些水就跑掉了，就进出去了。那么进出去的时候，除了质量减少了之外，同时它还会放出大量的能量。那为什么核聚变在太阳上产生呢？这个产生的现象普遍吗？应该说很普遍，我们晚上看见的星星就是恒星，大部分的恒星都是利用这个原理。
通过核聚变来产生能量发光发热，我们所以能看见这些星星。太阳算是一个比较小的恒星，大多数的恒星都比太阳大。我们是不是可以这样理解，很多恒星都是在不停地产生着核聚变，只是太阳对我们人类来讲更熟悉一些。对。太阳已经在宇宙中存在了约50亿年，它的主要成分是氢，含量超过70%。太阳每时每刻都在发光发热，它每秒钟散发出来的热量相当于1亿亿吨煤炭，完全燃烧产生的能量，成为整个太阳系的能量来源。而这巨大的能量却并不是源于燃烧，而是来自于太阳核心，在那里有一个天然核聚变反应堆。核聚变就是利用原子核聚变反应产生能量，在太阳的核心，温度高达1500万摄氏度。而核心处的超高密度，使得那里的氢原子核粘到了一起，从而发生聚变反应生成氦原子核，同时释放出巨大的能量，发出以可见光为主的电磁辐射，辐射到四面八方。宇宙从大爆炸那一刻起，核聚变这一自然规律就一直存在着。宇宙中遍布着类似太阳这样的天体，我们称它们为恒星。肉眼可见的恒星就有数千颗，它们组成了星光璀璨的夜空。根据目前太阳聚变的速度，它还能继续燃烧50亿年。我们已经有一个太阳，似乎我们认为已经足够了，为什么还要造太阳，造了太阳究竟有什么用？
太阳它一直在发生核聚变反应，它这些核聚变反应的能量，真正辐射出来是向四面八方的，我们地球离得很远，我们拿到的整个地球拿到的太阳的辐射能，相当于太阳自身的二十二亿分之一，也就是说非常小的一个量。那么它的能量，我们很难拿过来为我们所用，但是我们如果按照太阳的这种原理，来做一个类似于太阳，这种发生（产能）原理的一个能源（装置）。那么可能我们今后的能源问题，好多社会问题甚至都可以能以它来解决掉。如果我们这个装置成功了，那么我们就可以就引起了一系列的能源革命。比如说我们可以把煤可以不用，那么我们就可以去掉很多污染，雾霾等等。实际上我们人类不断地寻求的目的，就是寻找到更清洁、更持久的这种能源。刚才提到的是核聚变，我们一谈到核的时候，很多人都会很担心，刚才周先生为什么说到这个是没有污染的，我们正常说核裂变，就是咱们现在经常听到的这种核弹、核反应堆。它主要的方式是让它整个里边的原子核，是通过裂变的方式，那么这个时候裂变也会产生能量，而且能量也不低，但它带来的一个致命的问题就是核污染核废料。
这个大家不用多说，大家都有过一定的了解，包括之前出现的一些核电站的这些泄漏等等。但我们现在提到核聚变，它其实一般来说是两个氢原子，它俩结合之后变成氦原子，然后释放能量。那么氢和氦这两种东西，其实都是日常生活中的清洁无害的能源。在这个过程中，它释放的能量还非常巨大，那么通过这种方式释放完了之后，我们只得到了氦元素，也就经常咱们听到的这种氦气，它是不会对生物或者环境造成污染的。而且它的能量密度又高，我们拿它来进行这种能源的制作，是要比核裂变要清洁得多得多得多，而且没有为（对）子孙后代这种危害的可能性，你看我们一直在说“人造太阳”，那我们来制造“人造太阳”。所使用的原材料来自哪里呢？地球上的核聚变，要实现这个核聚变的话，最容易实现核聚变的两种材料，一种是氚，一种是氘，那么这个都是氢同位素。那么氚要通过锂来制造。氘通过海水里边提取，就是很简单很便宜地，就可以提取到这个氘。那么海水量很大，资源很丰富，然后我们按照这么一个海量的储存，所以人类可以用核能，可以用上数亿年，甚至于有些人计算可以用到几十亿年，所以跟地球的年龄是差不多的。在这种情况下，我们就可以说我们的能源是取之不尽，用之不绝的。
那我们可以理解成它是对于传统能源的这种优势吗？对，除了这个优势还有哪些方面？还有一个优势就是它能量大，能量密度大。这是一个最大的优势。目前科学家进行核聚变研究，最常用的元素就是氢。氢是一个家族，家族成员分别是老大氕、老二氘和老三氚，它们统称为氢的同位素。科学家们发现，让氘和氚发生聚变最为容易。每升海水中就可以提取出0.03克的核聚变反应材料氘，看似微量，可它却蕴藏着巨大的能量。在发生完全核聚变反应后，所释放出的能量相当于燃烧300升汽油所产生的能量。地球上的海洋面积约占全球面积的70%。据估算，海水中共有超过45万亿吨氘，而对于核聚变的原材料，除了丰富的海水资源，人们还将目光投向了月球。在月球上存在大量的氦3，同样可以作为核聚变原料。据估测，月球上的氦3，足够支撑全人类使用数万年。核聚变凭借巨大的资源量，超高的能量密度以及清洁性，使它成为最终解决人类社会能源的途径之一。说到这我相信很多观众，都能够想起电影《钢铁侠》当中，方舟反应堆，这是不是未来的我们科学世界当中，世界当中，会有不同的小的核反应堆。然后这些随时随地给我们传递能量，可以这样理解吗？
其实我认为还真的可以这样理解，咱们看科幻电影或者科幻小说，它其实也是基于现有的这种科学的发展，它来往前多走了几步，然后来预测未来是怎么样为我们服务的?我们说到刚才你提到钢铁侠的方舟反应堆，其实咱们都见过，它可能就是一小块，比如说带在胸前，我们就可以让钢铁侠横冲直撞，然后甚至还能接导弹，还能不被打伤等等，那么凭什么？它最主要的核心还是能源的能量，假如说胸口放一点点，按照我们说现在这种可控的核聚变，如果真的实现了，我就能够放到我身上。那么它到底是相当于多大一块能量，我们举个例子，比如说一公斤的，比如说我们说重水加上锂。那么一公斤也就没多少，对吧。我们可乐瓶差不多有的时候也就一公斤，那么一公斤的量基本上能够持续，相当于它如果是一个发电站的话。它能够提供一万千瓦（装机容量）的，这样一个发电站是个什么概念呢？如果咱拿煤来算，想发这么多电的话，煤需要大概1万吨。所以你只需要一公斤的重水和锂电池，你就可以当一个小型的发电站了，你想想钢铁侠这种什么方舟？
或者是今后你弄一个堡垒，它里边只要有一个小型的核聚变反应堆，那么它就可以源源不断地提供能量，那么这个能量如果后期用好了的话，它既可以用来做攻击，还可以用来做防御，甚至可以为我们人类造福。那么生活中的方方面面，都可以用它作为能源的来源了。你看这两位在介绍的过程当中，我的脑海当中就展开了科学的想象，当初我们记着有一个人类登月的画面，说阿姆斯特朗在月球上一小步，是人类进步的一大步。如果我们真的有了这种“人造太阳”，每一个小核反应堆，我们身上只要背一个小核反应堆。我随时随地就可以上月球了，是有这个可能性的。这种可能性是有，但是也有很多困难。困难当然是，需要我们科研人员，不断地努力去克服这些困难。这么好的能源，难言把我们说得眼前充满了希望。但为什么我们一直都没有用上？这个问题是一个很好的问题，但是也是很复杂的问题。自从原子能发现，有了氢弹有了原子弹以后，要把这个工业从军用的核工业转到民用工业。那么在这个时候，世界上就提出了一个和平利用原子能的那么一个口号，在核能的发展过程中间，发展了很多核裂变的技术。但是核聚变的技术，始终没有发展起来，为什么没有发展起来呢？
就是因为地球上要约束，高密度高温度的等离子体很难，所以一直都没有成功，所以直到现在为止，现在进行的“托卡马克”的装置的研究，还有其他的聚变的研究，它都是因为最后没有约束到那么高的温度和密度，没有约束到那么高，所以它就会不会燃烧。就是氢和氢不会聚变，所以始终没有达到聚变，所以无法达到现实当中的应用。1954年世界上第一颗氢弹爆炸，产生了巨大的能量震惊世界。从此，核聚变就受到了全球科学家的高度重视，他们希望可以有效控制氢弹爆炸的过程，让能量持续稳定地输出。然而，目前人类距离实现可控核聚变还有很长的路要走，难就难在可控二字。太阳之所以可以持续进行稳定核聚变，是因为它的核心温度高达1500万摄氏度，而且具有非常高的密度，强大的引力可以束缚住向外扩散的高温和高压，形成了一个奇妙的平衡点，使得内部核聚变反应持续进行。而地球上无法达到如此高的压力，人类只能在高温上下功夫，需要把装置中的原料温度提高到上亿摄氏度，以等离子态高速运行，以提高可控核聚变的时间。
2017年7月，中国的“人造太阳”，在世界上首次实现5000万摄氏度，持续放电101.2秒的运行，实现了从60秒到百秒量级的跨越，创造了核聚变的世界纪录。2018年11月，“人造太阳”中心温度首次达到1亿摄氏度。2020年4月，“人造太阳”将1亿摄氏度维持了近10秒钟，再获重大突破，受到了全世界的瞩目。究竟什么是等离子态？人类又该如何去控制它，我们说等离子态，它其实是我们经常叫物质的第四态。除了正常我们说液态、固态、气态，那么还有一个等离子态，它其实是什么样一个状态呢？我们说在微观粒子的层次来说，我们当把物体加热了之后，那么物体一般来说，它的微观结构都是由原子核、电子来构成的。那么在等离子态这种状态下，它物质的原子就开始分开了，原子核和电子就不在一起了。正常情况下我们说电子是在原子核外边，是这种高速运行的，那么当你加热加热加热，它最后会把原子从原子核和电子都给你剥开了。举例说，相当于炖鱼，咱们在家里边炖鱼的时候，当你提高热量在持续不停地炖，你会发现鱼皮和鱼肉就分开了，如果你再加热，可能这个鱼肉就飞了，我们会发现锅盖上都会有这种小颗粒，其实就是鱼，我们叫炖飞了，飞了这种其实就是当你温度特别高的时候，粒子可能也会被“炖飞”。
它的原子核和电子束缚不住了，电子就跑掉了，这个时候呈现出来的状态，类似于我们日常生活中，咱们看到的这些打雷闪电，包括有一些荧光灯发光的时候，其实都是等离子态这种形式。我们现在经常用等离子体，这种高温的情况下来切割一些坚硬的物体等等，其实都是用了它这种热的熔融的现象。在产生这种现象的情况下，我怎么样进行核聚变呢？那么你想象两个带正电的原子核，它们之间如果想靠拢的话，电子已经都剥离开了，它们由于是同性相斥的，所以会有一个斥力，就跟咱们磁铁一样。它俩是互相有抵抗力的，我不愿意合在一起，你凭什么让我合在一起？那怎么办？我要克服掉这个力。第一种方式我们就加温，加温相当于什么，让它们高速地热运动，热运动之后大家就跑得快了吗？那就容易发生“交通事故”，就撞在一起了，这个时候就有可能发生核聚变。还有一种方式，就我给你弄个狭小的空间，我压你使劲用力就高压锅，我使劲用高压锅去压你。这两个本来它俩还有抵斥的这种力，但是我给你压在一起了，它俩就核聚变了，释放出这种我们说的核聚变的能量，那么这就是为什么在等离子态的时候，它们才有可能进行聚变反应？
我们理解上千（摄氏）度，几千（摄氏）度就可以把钢铁熔化，上亿（摄氏）度我们在想，人类现有的什么容器可以能够装得了盛得了？什么容器都承受不了，所以就是“托卡马克”的这种磁约束核聚变。它就是用一个强磁场把等离子体，约束在一个磁笼子里边，有一个环形的磁笼子里边，就让它在里边转，非常中间的那一块，是一个高密度高温的等离子体。而周围的等离子体，逐渐它形成一个（温度）梯度，下降到我们人类的材料可以接受的程度，这个就是我们经常说“托卡马克”，它其实就是一个环状的，有点类似于我们说的面包圈。甜甜圈，多纳圈，整个的火把全在这多纳圈里边转，我外边给它加一个磁场，给它举起来，隔空举起来，里边的火就在里边一圈一圈地燃烧。这样就不与我们人类现有的耐火材料，直接发生关系，就可以控制住它了。我们国家的“人造太阳”的运行时间，已经实现了100秒的突破，这100秒的突破意味着什么？按照人类设计的这个“托卡马克”装置，在运行100秒的情况下，发生核聚变的概率就会增加，就会有一定的概率发生核聚变，就是为了达到核聚变，所以它要求约束的时间是越长，这是一个很重要的一个标准。在国际水平上，我们这100秒的控制时间，是一个什么样的水平？
目前中国可能就是世界上最好的了，已经是最好的了。它约束的时间越长，你就在里边反正碰一下，碰一下，总会是碰见的概率会增加。那既然我们说到了“人造太阳”，这项工程给我们带来那么好的能源，我们什么时候能用上“人造太阳”？这个问题也是核聚变界所关心的问题，从现在的发展情况来看，我们现在国际上已经在做一个国际热核聚变堆计划，那个装置呢？它的目的也就是验证核聚变的工程可行性，如果这个装置成功了，到2050年左右，人类可以应用上核聚变。如果说ITER（国际热核聚变堆）项目，没有按照预期的目标实现，或者说又发现了一种更大（严重）的限制，那么核聚变的路程可能还要更长，那么我们在这种情况下有可能要考虑结合了，聚变和裂变混合的这种反应堆。就是用少部分聚变能，然后来驱动更大一部分裂变能，能形成一个聚变裂变混合堆，但是这个堆的形状还是很像“托卡马克”。但是它在包层里边产生的，有一部分就是聚变能，有一部分是裂变能，只是做聚变裂变混合堆的话，可能到2045年可能就能实现。有一天真的“人造太阳”，在我们生活当中应用起来，那个时候给我们的生活带来的改变会是什么？
这个畅想就是比如说我们以后要坐着人造飞船，要出太阳系或者是到远太空去，比如木星这些去旅游，相当于我们现在的这种火箭。如果要到木星去的话，可能都要很多年，然后你要是要那么几十年的话，我估计人类是等不起的。如果是我们的（利用）核聚变的这种火箭的话，它可以持续地提供推力，它瞄准一个方向持续推，它就可以到，所以很短的时间它就可以到那个地方。所以郭亮你有没有感觉到他的畅想就是，我要到其他的星球去。郭亮作为你来讲，你来畅想一下，未来我们真的“人造太阳”应用到我们生活当中，那个时候我们身边周边，离我们最近的真实的改变会是什么？这个也是我们的设想，我们说所有的从古至今，大家争夺的（资源），其实主要还是以能源为主，能源是一个非常重要的一个争夺资源的一个领域。当我们的可控核聚变实现了，甚至都在生活中进入到我们的生活了的时候，你会发现基本上按照我们目前的畅想，能源已经不再是问题了，我们根本不需要石油，也不需要煤，只需要海水就可以了。
那么这个时候，能源是最便宜最低廉的，类似于我们的空气一样，它会源源不断地随时为我们所用。那么各大国家之间，也就不用再靠争夺能源和资源来进行这些交换，或者是一些战争都不会再有了，人们使用能源就是随心所欲。什么东西想开就开，也从来不用关，我们现在坐飞机，你是靠的是航空煤油进行反推，那么到时候可能靠核聚变。这个时候核聚变夸张一点，如果真是星际之间旅行一直加速，就有可能接近光速。那么它的速度就是完全我们无法想象的，你想从我们最开始骑自行车，到有汽车，再到有高铁，咱们的整个的所谓的地球村的概念就已经非常夸张了。那么到核聚变的出来了之后，可能就不再是地球村了，可能就是地球隔壁了，就是你想去美国。可能就是一开门就到了，这样一个夸张的（想象）程度，所以这个时候你会发现，所有生活中的东西都会发生变化，我们人类只能说（科技）更高效、更快捷，更好地为我们服务。感谢各位收看我们今天的《透视新科技》，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
