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我国托卡马克反应堆创下世界纪录，无限清洁能源迈出历史性一步

抖音推荐 2025年07月23日 19:18 1 admin

中国"人造太阳"烧了17分钟：人类离无限清洁能源，还差几步？


我国托卡马克反应堆创下世界纪录，无限清洁能源迈出历史性一步

2024年的一个清晨，合肥科学岛的实验室里，仪表盘上的数字定格在1066秒。这意味着，中国"东方超导托卡马克实验装置"（EAST）——也就是我们常说的"人造太阳"，把1亿摄氏度的超高温等离子体稳稳"托举"了17分46秒。这个时间，足够让一个成年人慢跑3公里，却足以让全球聚变科学家沸腾——这是人类离"取之不尽的清洁能源"最近的一次。


一亿度的" Goldilocks 难题"：太冷不行，太热也不行


要理解这个成就有多厉害，得先明白"人造太阳"在玩一个宇宙级别的"平衡术"。


太阳的能量来自核聚变——氢原子核在高温高压下撞在一起，聚变成氦，同时释放出巨大能量。但在地球上复刻这个过程，难就难在"温度"和"时间"的死对头关系：要让原子核克服排斥力撞在一起，需要1亿摄氏度（是太阳核心温度的6倍多）；可温度越高，等离子体（带电的气体）就越难控制，就像用筷子夹起沸腾的岩浆。


过去几十年，科学家们的困境就像 Goldilocks 找椅子：温度够了，时间撑不过100秒；时间稍长，温度又掉回"冰点"。而EAST这次的突破，相当于把"岩浆"稳稳夹在筷子上，还坚持了17分钟。


这背后的秘密藏在EAST的"加热系统"里。升级后的装置能输出相当于7万个家用微波炉同时工作的能量，这些能量通过三种方式注入等离子体：电子回旋加热像"微波炉"，中性束注入像"高压水枪"，离子回旋加热则像"精准手术刀"。三者配合，既能把等离子体"烧"到一亿度，又能微调它的形状，防止它撞上容器壁——要知道，哪怕一瞬间的接触，都会让上亿度的等离子体"熄火"，就像滚烫的钢水碰到冰块。


"这就像在钢丝上骑自行车，既要保持速度（温度），又不能掉下来（维持形状），还得骑够时间。"等离子体物理研究所的工程师李亮打了个比方，"以前我们能骑10米，现在突然能骑1公里了。"


为什么非要追"核聚变"？它能解决能源的"终极焦虑"


有人可能会问：我们已经有太阳能、风能了，为什么还要花几十年研究核聚变？


答案藏在三个"无限"里。


首先是燃料几乎无限。核聚变的原料是氘和氚，氘可以从海水里提取，每升海水含有的氘聚变后释放的能量，相当于300升汽油；氚虽然稀有，但可以通过锂元素制造，而地球上的锂够人类用几万年。相比之下，石油还能烧50年，煤炭100年，连核聚变的零头都不到。


其次是安全无限。聚变反应一旦失去高温高压，会立刻停止，绝不会像核裂变那样发生爆炸或泄漏。就像蜡烛被吹灭就不会再燃烧，而不是像炸药那样可能失控。


最后是清洁无限。它不排放二氧化碳，产生的放射性废物半衰期只有几十年，而核裂变废物要几万年才能衰变。如果说化石能源是"会呼吸的污染工厂"，核聚变就是"安静的清洁能源库"。


国际能源署的报告显示，要实现2050年碳中和，人类需要一种"稳定可靠、不受天气影响"的基荷能源。太阳能和风能依赖天气，锂电池储能成本太高，而核聚变恰好能填补这个空白。就像一个永远不关门的加油站，无论白天黑夜、刮风下雨，都能稳定供电。


从"17分钟"到"千家万户用电"：还差三道关


但别高兴太早——1066秒的记录，离真正给千家万户供电，还有漫长的路要走。科学家们把这段路分成了三道必须跨越的关卡。


第一道关是"能量输出大于输入"。现在EAST消耗的能量比它产生的还多，就像一个"赔本的生意"。接下来，中国聚变工程实验堆（CFETR）的目标是让输出能量达到输入的10倍（200兆瓦），相当于同时给20万户家庭供电。这一步预计在2035年前完成。


第二道关是"连续运行"。17分钟虽然长，但商用核电站需要24小时不间断运行。这意味着要解决材料的"耐烧"问题：装置内壁的材料要在一亿度等离子体的"烘烤"下，坚持几十年不损坏。目前最有希望的"钨合金装甲"，在实验室里最多只能承受1000次高热冲击，离实用还差100倍。


第三道关是"成本控制"。ITER（国际热核聚变实验堆）的造价已经超过200亿欧元，相当于3个三峡大坝。要让核聚变电价和火电、风电持平，必须把设备成本降低到现在的1/10。科学家们正在尝试用3D打印制造复杂部件，预计能把建造时间缩短一半。


打个比方：现在的EAST就像莱特兄弟的第一架飞机，证明了"能飞"；接下来要造的是"波音747"（CFETR），证明"能载很多人飞很远"；最后才是"民航客机"（商用聚变堆），证明"安全又便宜"。


为什么是中国？藏在"7万个微波炉"里的突破


这次突破让世界惊叹的，不仅是时间长度，更是中国在聚变领域的"弯道超车"速度。


2006年EAST刚建成时，最长只能维持等离子体200秒，温度也只有5000万度。短短18年里的飞跃，藏在三个"中国方案"里：


超导磁体技术是第一个关键。要"托住"高温等离子体，需要超强磁场形成一个"磁笼子"。EAST用的钇钡铜氧超导带材，能在零下269度的环境下产生10特斯拉的强磁场（相当于地球磁场的20万倍），而且能耗只有传统铜线圈的1/100。这种材料中国的产能占全球80%，打破了日本的垄断。


主动冷却系统是第二个秘诀。想象一下，用手捧着烧红的铁块，你需要不停浇水降温。EAST的真空室壁上，密布着直径2毫米的细管，水流以每秒15米的速度流过，能及时把热量带走，相当于给装置装了"空调"。这套系统的散热效率，比欧洲的JET装置高3倍。


人工智能控制是第三个法宝。等离子体的状态每秒变化1000次，靠人手动调节根本来不及。中国科学家开发的"深度学习控制器"，能像顶尖厨师颠锅一样，实时调整磁场强度和加热功率，让等离子体始终保持稳定。这套系统的响应速度，比美国的SPARC装置快200毫秒。


正如等离子体物理研究所所长宋云涛所说："别人用算盘的时候，我们已经在用超级计算机了。"


全球组队"造太阳"：为什么中国要加入ITER？


尽管EAST成绩斐然，中国依然是ITER项目最积极的参与者之一。这个由35个国家联合打造的"人造太阳"，中国承担了9%的建设任务，包括核心的"磁体支撑结构"和"诊断系统"。


有人不理解：我们自己做得这么好，为什么还要和别人合作？答案藏在"大科学工程"的规律里——核聚变研究太复杂，没有任何一个国家能单打独斗。


ITER就像一个"全球技术共享平台"：中国贡献超导和控制技术，美国提供射频加热设备，欧洲负责真空室制造，俄罗斯擅长等离子体物理模拟。每个国家都能从中学到别人的长处，避免重复研发。比如EAST这次突破的"长脉冲运行"技术，就被ITER吸收进了2030年的实验计划。


更重要的是，核聚变的最终目标是"解决全人类的能源问题"，它的成果注定要共享。就像当年各国联合建空间站，不是因为"自己建不成"，而是因为"合作能更快建成，也更有意义"。


当聚变成真，我们的世界会怎样？


想象一下2050年的某一天：


你家的电费单上，单价永远是0.3元/度，因为燃料几乎不要钱；加油站变成"加氢站"，你的氢能车加一次能跑1000公里，排放的只有水；新闻里再也没有"能源危机""俄乌冲突"，因为每个大洲都有自己的聚变堆，能源彻底自主。


这不是科幻。科学家计算过，1升海水中的氘，聚变后能产生相当于300升汽油的能量。全球海水里的氘，够人类用上百亿年——比太阳的寿命还长。


更深远的影响在太空：未来的火星基地，可能用火星上的水制造燃料，靠小型聚变堆提供能源；星际飞船也能用上聚变发动机，从地球到土星的时间从7年缩短到1年。


当然，也有人担心"核聚变会不会像核能那样有安全隐患"。但实际上，聚变堆里的燃料只有几克（相当于一颗米粒），一旦出现问题，磁场消失，等离子体会瞬间冷却，反应立刻停止，绝不会像核裂变那样发生链式反应。就像点燃的火柴掉进水里，只会熄灭，不会爆炸。


写在最后：人类为什么要追"不可能的目标"？


从爱因斯坦1905年提出质能方程（E=mc²），到1952年第一颗氢弹爆炸（证明聚变能释放），再到今天EAST的1066秒，人类追了120年。这条路之所以值得，正因为它回答了一个更本质的问题：人类文明能走多远？


化石能源时代，我们像守着篝火的原始人，依赖有限的燃料，还得忍受浓烟呛鼻；可再生能源时代，我们学会了用太阳能板和风车"收集阳光和风"，但受天气限制；而核聚变时代，我们将像恒星一样自己制造能量，真正实现"取之不尽，用之不竭"。


合肥科学岛的实验室里，有一块刻着"永无止境"的石头。它提醒着每天来工作的科学家：1066秒不是终点，而是新的起点。就像当年阿姆斯特朗登月时说的："这是个人的一小步，却是人类的一大步。"


或许到2100年，当孩子们翻开历史书，看到"2024年中国'人造太阳'的17分钟"时，会像我们今天看"莱特兄弟飞行12秒"一样——那是人类挣脱能源枷锁的开始。

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