为什么要发展“人造太阳”？

1. 为什么要发展“人造太阳”？

100年前，爱因斯坦预见了在原子核中蕴藏着巨大的能量。依据他提出的质能方程E＝mc2，核聚变的原理人造太阳看上去极其简单：两个轻核在一定条件下聚合成一个较重核，但反应后质量有一定亏损，将释放出巨大的能量。1939年，美国物理学家贝特证实，一个氘原子核和一个氚原子核碰撞，结合成一个氦原子核，并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现揭示了太阳“燃烧”的奥秘。 实际上，太阳上的聚变反应已经持续了50亿年。在宇宙中的其他恒星上，也几乎都在燃烧着氢的同位素———氘和氚。（氢原子最容易实现的聚变反应是其同位素氘与氚的聚变。氘和氚聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。 ） 而氘在自然界中几乎“取之不尽”。科学家初步估计，地球上的海水中蕴藏了大约40万亿吨氘。从1升海水里提取的氘，在完全的聚变反应中所释放的能量，相当于燃烧300升汽油。如果把自然界中的氘用于聚变反应，释放的能量足够人类使用100亿年。 在实验室中，聚变反应的优点被不断发现——它产生的能量是核裂变的7倍，反应产物是无放射性污染的氦。更完美的是，未来的聚变电站会始终处于次临界安全运行状态，一旦出现意外，反应会自动停止，不会发生像三哩岛和切尔诺贝利那样的核泄漏事故。 1952年美国试爆了第一颗氢弹，促使科学家考虑如何控制核聚变反应在瞬间爆发的毁灭性能量，“人造太阳”之梦由此而始。 此后，石油、煤炭等化石能源日益枯竭，能源危机和温室效应步步逼近，获取新型能源已经变得十分迫切。虽然风能、水能、太阳能等可再生能源不断地被开发利用，但很难想象，它们能够完全替代传统能源。
一旦“人造太阳”成功运行，带给世界的变化将是革命性的。各国之间再也不用为中东的石油而发生战争。没了石油、煤矿开采带来的污染，二氧化碳的温室效应、南极冰面的萎缩、海岸线的增高等等一系列现在人类头疼的问题都会消失。它将给人类带来无限清洁的能源，就像太阳给我们的一样。

2. 为什么要发展“人造太阳”

国际核聚变实验堆的使命是展示核聚变发电的可行性，并证明它可以不造成负面影响。具体而言，该项目的目标是：
1、由核聚变加热而即时产生多于所提供的辅助加热十倍的热能（聚变能量增益因子为10）。
2、产生一个聚变能量增益因子Q值超过5的稳定状态的等离子体。
3、维持480秒的核聚变脉冲。
4、可能点燃“燃烧的”（自我维持的）等离子体。
5、开发核聚变发电厂所需的技术和程式：包含超导磁体（以俄国T-15为领先），及遥控技术（由机器人实现）。
6、为了验证氚增殖(Tritiumbreeding)概念。
7、完善中子遮挡/热转换技术（大部分在D+T核聚变反应的能量被以快中子的形式释放）。

历史
国际热核聚变实验反应堆开始于1985年，里根-戈尔巴乔夫倡议的苏联，欧盟（通过欧洲原子能共同体），美国和日本平等的参与在1988年-1998年的初步设计阶段。 这个项目下一阶段的合作包括建设一个磁核聚变研究的示范反应堆。
当时，苏联、欧盟、美国、和日本都在持续进行磁核聚变研究。进行下一步的核聚变研究将超出了任何主要国家的预算，并且国际合作是很有益的。
经过早期的概念和工程上的设计阶段，2001年在国际原子能机构（IAEA）的主持下产生了一个可被接受的详细设计，ITER成员投入了6.5亿美元研发资金用来进行实用性的研究。
后来俄罗斯取代了前苏联的位置，美国曾于1999年到2003年之间退出，加拿大于2003年退出，而中国和韩国则加入参与开发研究，印度在2005年12月也加入了该计划。
2006年5月24日，参加这一项目的欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方代表草签了一系列相关合作协议，标志着这项计划开始启动。欧盟承担50%的费用，其余6方分别承担10%，超出的10%用于支付建设过程中由于物价等因素造成的超支。
11月21日，参加国际热核聚变实验反应堆计划的7方代表在法国总统府正式签署了联合实验协定及相关文件。
2007年9月24日，中国作为第七个参与国批准了该协定，这意味着三十天后即2007年10月24日开始，国际热核聚变实验反应堆合作协定正式开始实施，国际热核实验反应堆组织也于当天正式成立。

3. 人造小太阳是什么？

你知道太阳为什么会不停地发出巨大的光和热吗？原来太阳上也在进行原子核反应哩。


早在1938年，科学家贝特就指出，在太阳的炽热的核心里，正在发生核聚变反应，即在不断地由许多质子合成原子核的反应。


我们在前面已经讲过原子核的裂变反应，这里说的却是原子核的聚变反应，这是怎么回事呢？


前面讲过，像铀这样的重元素，它在裂变时，会有质量亏损，这些亏损的质量会变成巨大的能量，这就是裂变能。原子弹和原子发电站都是利用这种原理工作的。


我们现在来看轻元素，如氢和氦。氢原子核是由1个质子组成的。氦原子核则是由2个质子和2个中子组成的。根据计算，氦原子的质量应该是4.031872“原子质量单位”。但是，科学家阿斯顿在用他的仪器实测氦原子质量时，却只有4.001507“原子质量单位”。这就是说，氦原子质量的理论值与实际值亏了0.30365“原子质量单位”。


又是产生了质量亏损。根据物质守恒定律，这些质量亏损是化成了原子的结合能，原子核就是靠这种结合能把质子和中子“粘”在一起。这种结合能在科学上就叫聚变能。由此可见，原子核裂变可以施放出能量，同样，原子核聚合也可以施放出能量。这种聚变能就是聚变反应的产物。


在太阳的核心里，正在发生4个质子合成一个氦核的反应，所以它会发出巨大的聚变能，光和热就是聚变能产生的。


聚变反应的燃料一般是轻元素，如氦、氢及其同位素等。一个氢同位素氘核和一个氢同位素氚核互相碰撞，发生聚变反应，可生成一个氦核。聚变时同时释放出很大的能量，这种能量比裂变反应时发出的能量还要大。生成1克氦核的聚变反应，释放出来的能量就大约与燃烧12吨煤相当，这要比同样重量的核燃料裂变反应产生的能量大好几倍。


根据这个道理，科学家准备用人工的方法来重现太阳核心的反应，也就是人工制造“小太阳”。


不过，实行原子核的聚变反应有一个条件，必须加温，使原子核以极高的速度运动，才有可能叫它们聚在一起。不过，一旦聚变反应发生，就不必再加温了，它自己产生的能量就可以维持反应的要求了。这就像一般燃料，只要点着，它就不必老加温，自己就可以燃烧起来一样。正因为这个原因，人们才把原子核的聚变反应称作热核反应。比如为了使两个氘核或氢核发生聚变，就必须使它们充分靠近，近到只有十万分之一厘米的距离，要做到这一点，必须具有几千万摄氏度到两亿摄氏度的高温才行。因此，要实现聚变反应，获取这种反应的高能量，首先要付出高的温度。


1952年，美国首先用人工方法实现了核聚变，这就是氢弹爆炸。氢弹原来就是用氢等轻元素作原料，用高温来促使这些元素的核聚变的产物。那么，氢弹里的高温是怎么得到的呢？是用原子弹爆炸得到的。也就是说，一颗氢弹里其实还藏有一个小小的原子弹。这个小小的原子弹就像普通炸弹里的雷管，它先爆炸，产生几百至几千万摄氏度的高温。在这种温度的“引燃”下，氢弹里的重氢发生核聚变，变成了氦核。在一瞬间，产生比原子弹还大的爆炸能量。1952年11月1日，美国在太平洋一个小岛爆炸的一枚叫“麦克”的氢弹几乎把这个小岛削平了。


后来，人们又制造了威力更大的氢弹。这种氢弹里装的聚变原料是氢化锂或氘化锂，其中的“引爆”原子弹有多个普通的铀弹，或钚弹。1千克氘化锂的爆炸能力相当于5万吨烈性炸药梯恩梯。我国于1969年6月17日也爆炸成功了第一颗氢弹。这颗氢弹里面装的核“炸药”就是氢化锂和氘化锂。


还有一种更厉害的氢弹叫钴弹。它是在氢弹外面包上一层金属钴。当氢弹爆炸时，释放出中子，撞击钴核，产生钴同位素。这种钴同位素放射性极强，杀伤力极大。它产生的烟尘所到之处，一切生命都会死亡。


氢弹，实际上是战争之“神”。能不能变战争之“神”为和平的使者呢？也就是说，能不能让原子核的聚变反应也变得可以控制，使它像原子能发电站那样，慢慢释放出能量来，为人类造福呢？


这种可以控制的热核反应，科学家叫它受控热核反应。从1952年氢弹爆炸之时起，就有许多国家在秘密研究这个问题。我国也已经有了自己的受控热核反应试验装置。


要使热核反应得到控制，必须保证参加反应的热核材料得到充分的约束。由于裂变反应堆的燃料是固体，反应温度只有几百摄氏度到两千多摄氏度，可以装在壳体中，用控制棒让它慢慢反应，这样做困难不是很大；而聚变反应是在几千万摄氏度的高温下进行，这时所有的物质都被电离，变成了等离子体，控制起来就十分麻烦，因为至今还没有一种材料可在几千万摄氏度高温下不化，所以找到不化的容器来装核燃料就成了难题。后来，科学家找到一种“磁约束”的办法。据说，已经建成的大型磁约束受控热核反应装置，这种装置可以在6千万摄氏度高温度下，约束核聚变反应。当然，这并不是说热核反应完全可以控制了。但是，和平利用热核反应的前景还是很美好的。有人预计，热核反应的实际应用，即热核发电站的运行，大约在下世纪可以实现。


据计算，建成一座可控热核聚变反应发电站的投资是烧煤的火力发电站的6倍，是裂变反应核发电站的4倍。一座功率为150万千瓦的可控热核发电厂，光要使用的钢材就要5万吨，仅此一项，就相当于同功率火力发电厂的全部投资。看来，建成热核发电站的任务是艰巨的，但是它产生的能量却是无可比拟的，人类一定会在地球上造出许多可以控制的“小太阳”，而不需要像神话中的盗火神普罗米修斯那样，去天上“盗火”。

4. 中国人造小太阳有哪些好处？

5. 人造小太阳是什么？

你知道太阳为什么会不停地发出巨大的光和热吗？原来太阳上也在进行原子核反应哩。
早在1938年，科学家贝特就指出，在太阳的炽热的核心里，正在发生核聚变反应，即在不断地由许多质子合成原子核的反应。
我们在前面已经讲过原子核的裂变反应，这里说的却是原子核的聚变反应，这是怎么回事呢？
前面讲过，像铀这样的重元素，它在裂变时，会有质量亏损，这些亏损的质量会变成巨大的能量，这就是裂变能。原子弹和原子发电站都是利用这种原理工作的。
我们现在来看轻元素，如氢和氦。氢原子核是由1个质子组成的。氦原子核则是由2个质子和2个中子组成的。根据计算，氦原子的质量应该是4.031872“原子质量单位”。但是，科学家阿斯顿在用他的仪器实测氦原子质量时，却只有4.001507“原子质量单位”。这就是说，氦原子质量的理论值与实际值亏了0.30365“原子质量单位”。
又是产生了质量亏损。根据物质守恒定律，这些质量亏损是化成了原子的结合能，原子核就是靠这种结合能把质子和中子“粘”在一起。这种结合能在科学上就叫聚变能。由此可见，原子核裂变可以施放出能量，同样，原子核聚合也可以施放出能量。这种聚变能就是聚变反应的产物。
在太阳的核心里，正在发生4个质子合成一个氦核的反应，所以它会发出巨大的聚变能，光和热就是聚变能产生的。
聚变反应的燃料一般是轻元素，如氦、氢及其同位素等。一个氢同位素氘核和一个氢同位素氚核互相碰撞，发生聚变反应，可生成一个氦核。聚变时同时释放出很大的能量，这种能量比裂变反应时发出的能量还要大。生成1克氦核的聚变反应，释放出来的能量就大约与燃烧12吨煤相当，这要比同样重量的核燃料裂变反应产生的能量大好几倍。
根据这个道理，科学家准备用人工的方法来重现太阳核心的反应，也就是人工制造“小太阳”。
不过，实行原子核的聚变反应有一个条件，必须加温，使原子核以极高的速度运动，才有可能叫它们聚在一起。不过，一旦聚变反应发生，就不必再加温了，它自己产生的能量就可以维持反应的要求了。这就像一般燃料，只要点着，它就不必老加温，自己就可以燃烧起来一样。正因为这个原因，人们才把原子核的聚变反应称作热核反应。比如为了使两个氘核或氢核发生聚变，就必须使它们充分靠近，近到只有十万分之一厘米的距离，要做到这一点，必须具有几千万摄氏度到两亿摄氏度的高温才行。因此，要实现聚变反应，获取这种反应的高能量，首先要付出高的温度。
1952年，美国首先用人工方法实现了核聚变，这就是氢弹爆炸。氢弹原来就是用氢等轻元素作原料，用高温来促使这些元素的核聚变的产物。那么，氢弹里的高温是怎么得到的呢？是用原子弹爆炸得到的。也就是说，一颗氢弹里其实还藏有一个小小的原子弹。这个小小的原子弹就像普通炸弹里的雷管，它先爆炸，产生几百至几千万摄氏度的高温。在这种温度的“引燃”下，氢弹里的重氢发生核聚变，变成了氦核。在一瞬间，产生比原子弹还大的爆炸能量。1952年11月1日，美国在太平洋一个小岛爆炸的一枚叫“麦克”的氢弹几乎把这个小岛削平了。
后来，人们又制造了威力更大的氢弹。这种氢弹里装的聚变原料是氢化锂或氘化锂，其中的“引爆”原子弹有多个普通的铀弹，或钚弹。1千克氘化锂的爆炸能力相当于5万吨烈性炸药梯恩梯。我国于1969年6月17日也爆炸成功了第一颗氢弹。这颗氢弹里面装的核“炸药”就是氢化锂和氘化锂。
还有一种更厉害的氢弹叫钴弹。它是在氢弹外面包上一层金属钴。当氢弹爆炸时，释放出中子，撞击钴核，产生钴同位素。这种钴同位素放射性极强，杀伤力极大。它产生的烟尘所到之处，一切生命都会死亡。
氢弹，实际上是战争之“神”。能不能变战争之“神”为和平的使者呢？也就是说，能不能让原子核的聚变反应也变得可以控制，使它像原子能发电站那样，慢慢释放出能量来，为人类造福呢？
这种可以控制的热核反应，科学家叫它受控热核反应。从1952年氢弹爆炸之时起，就有许多国家在秘密研究这个问题。我国也已经有了自己的受控热核反应试验装置。
要使热核反应得到控制，必须保证参加反应的热核材料得到充分的约束。由于裂变反应堆的燃料是固体，反应温度只有几百摄氏度到两千多摄氏度，可以装在壳体中，用控制棒让它慢慢反应，这样做困难不是很大；而聚变反应是在几千万摄氏度的高温下进行，这时所有的物质都被电离，变成了等离子体，控制起来就十分麻烦，因为至今还没有一种材料可在几千万摄氏度高温下不化，所以找到不化的容器来装核燃料就成了难题。后来，科学家找到一种“磁约束”的办法。据说，已经建成的大型磁约束受控热核反应装置，这种装置可以在6千万摄氏度高温度下，约束核聚变反应。当然，这并不是说热核反应完全可以控制了。但是，和平利用热核反应的前景还是很美好的。有人预计，热核反应的实际应用，即热核发电站的运行，大约在下世纪可以实现。
据计算，建成一座可控热核聚变反应发电站的投资是烧煤的火力发电站的6倍，是裂变反应核发电站的4倍。一座功率为150万千瓦的可控热核发电厂，光要使用的钢材就要5万吨，仅此一项，就相当于同功率火力发电厂的全部投资。看来，建成热核发电站的任务是艰巨的，但是它产生的能量却是无可比拟的，人类一定会在地球上造出许多可以控制的“小太阳”，而不需要像神话中的盗火神普罗米修斯那样，去天上“盗火”。

6. 人造太阳：人造太阳真是造个太阳吗

记者从中国科学院获悉，东方超环是世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置，对国际热核聚变试验堆(ITER)计划具有重大科学意义。由于核聚变的反应原理与太阳类似，因此，东方超环也被称做人造太阳。
作为当前世界上规模最大的国际科技合作项目，ITER计划是人类探寻未来高效清洁能源的重要途径。ITER计划将建造、运行一个可持续燃烧的托卡马克型聚变实验堆，以验证聚变反应堆的工程技术可行性。
中科院合肥物质科学研究院EAST团队介绍，实现稳态长脉冲高约束等离子体运行是未来聚变堆亟待解决的关键科学问题。EAST具有类似ITER的先进技术，未来五年内将是国际上唯一有能力开展超过百秒时间尺度的长脉冲高约束聚变等离子体物理和工程技术研究的实验平台。
清华大学工程物理系的核物理教授曾实说，尽管一些研究人员对在未来半个世纪内制造人造太阳持乐观态度，但他对此心存疑虑。他表示，这个实验是以秒为单位进行的。距离作为可以发电用途还有很长的路要走，这是需要几十年的稳定、连续的操作。
报道称，在合肥的实验中，科学家们使用的是一种环形的托卡马克装置生产等离子体，这是由苏联物理学家在20世纪50年代发明的。
该装置还产生强大的磁场，以在有限的空间内控制等离子体，防止其与反应室的内壁直接接触。这些设施已经在许多国家使用了几十年，但都面临类似的障碍，特别是在保持等离子体稳定方面。

近年来，中国在核聚变研究方面的投入比其他任何国家都要多，因为其他地方的设施都在减少或停止试验。世界最大的项目是在法国普罗旺斯建造的，但预计到2025年才会进行首次试验。
EAST由实验EXPErimental、先进Advanced、超导Superconducting、托卡马克Tokamak四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是先进实验超导托卡马克，同时具有东方的含意。
为了在近堆芯的高参数条件下研究等离子体的稳态和先进运行，深入探索实现聚变能源的工程、物理问题，中科院等离子体物理研究所在建成超导托卡马克HT-7的基础上，提出了HT-7U全

7. 人类真的能造出太阳吗，制造人造太阳有何目的呢？

说到“人造太阳”，我们都知道是可控核聚变技术装置，但是不清楚的朋友可能仍然会认为是人类造出了一个“小太阳”，实际上它是利用的可控核聚变技术制造出来的一团高温等离子体，通常并非球形，而是呈环状，其目的是为了发电用。

据央视等媒体4月3日报道，我国自主设计的核聚变实验装置“东方超环”最新实验取得重大突破，实现了在1亿度高温之下运行10秒钟的目标。

目前的可控核聚变实验装备一般被叫做全超导托卡马克核聚变试验装置，又被叫做EAST，“东方超环”是中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主研制的磁约束核聚变实验装置，它也是全世界第1个全超导托克马克装置，是我国第四代可控核聚变实验装置。

该装置实验硕果累累，2017n在全世界首次实现了5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行，2018n底，又首次实现了1亿度等离子体放电，实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦。最新的这次试验达到了1亿摄氏度保持10秒，毫无疑问这是一个让世界瞩目的实验成就。

1亿摄氏度的高温有多么的惊人？比较一下感触更深，超过50摄氏度的气温会让我们热得喘不过气来，一个大气压下，水被加热到100摄氏度就会沸腾，熔点最高的金属钨在3410摄氏度时就会融化，已知熔点最高的物质五碳化四钽铪熔点为4215摄氏度，太阳的表面温度大约为5600摄氏度℃，太阳的内部温度大约为1500万摄氏度，可见东方超环创造出的1亿摄氏度的高温要比太阳内部的温度还要高6~7倍，比太阳表面的温度则高了18,000倍左右。

所以“东方超环”这样的托卡马克装置所创造的温度其实比太阳的温度还要高，因此也难怪会被称为“人造太阳”了。

8. 为什么要制造人造太阳呢？