人造太陽(yáng)：“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”科普解讀

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2019年底，由中核集團(tuán)承建的我國(guó)新一代可控核聚變研究裝置“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M”已建成，調(diào)試順利之后，將于今年投入運(yùn)行，為我國(guó)核能利用研究工作做出貢獻(xiàn)。

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1.?????核裂變

核能，顧明思議是指原子核的能量，可以通過(guò)核裂變、核聚變或放射性核衰變釋放出來(lái)。化學(xué)反應(yīng)也可以釋放能量，它是通過(guò)原子跟原子之間的重組過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的吸收或釋放，在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，所有的原子核沒(méi)有發(fā)生變化，也就是原子的種類(lèi)和數(shù)量沒(méi)有發(fā)生變化。

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而核能的釋放過(guò)程則伴隨著原子核的變化，也就是反應(yīng)前的原子跟反應(yīng)后的原子不一樣了。由于放射性核衰變的過(guò)程很緩慢，工業(yè)利用價(jià)值不大，所以人類(lèi)主要通過(guò)核裂變和核聚變反應(yīng)來(lái)利用核能。例如原子彈和氫彈就分別利用了核裂變和核聚變的原理。

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目前世界上的核電站都采用的核裂變的原理。核裂變是指由較重的（原子序數(shù)較大的）原子，主要是指鈾或钚，裂變成較輕的（原子序數(shù)較小的）原子的一種核反應(yīng)或放射性衰變形式。在核電站最常見(jiàn)的核燃料是鈾-235。

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鈾-235原子經(jīng)中子撞擊后，裂變成為兩個(gè)較輕的原子，同時(shí)釋放出多個(gè)中子。釋放出的中子再去撞擊其它的鈾-235原子，從而形成連鎖反應(yīng)而自發(fā)裂變。原子核裂變時(shí)除放出中子還會(huì)放出熱，核電站用以發(fā)電的能量即來(lái)源于此。

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可以想象，如果任其發(fā)展下去，中子撞擊鈾-235原子之后釋放多個(gè)中子，然后這些中子再去撞擊新的鈾-235原子，反應(yīng)將連續(xù)進(jìn)行下去，最終瞬間釋放出巨大的能量，就成了原子彈了。

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而人類(lèi)之所以能夠利用核裂變發(fā)電，就是因?yàn)槲覀冇修k法能夠控制它，讓它溫和地發(fā)生反應(yīng)，而不是像原子彈一樣劇烈反應(yīng)。人類(lèi)控制核裂變反應(yīng)有三種方法：第一是將核原料也就是鈾-235原子稀釋?zhuān)屧痈又g不要挨得太近，降低中子撞擊鈾-235原子的概率；第二是使用慢化劑，將核反應(yīng)中釋放的快中子慢化成反應(yīng)能力較低的熱中子；第三是使用冷卻劑，將核裂變堆芯溫度降低，使反應(yīng)活性降低。有時(shí)候冷卻劑也是慢化劑。

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2.?????可控核聚變

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核聚變，是指將兩個(gè)較輕的原子核結(jié)合而形成一個(gè)較重的原子核和一個(gè)極輕的核（或粒子）的一種核反應(yīng)形式。比方說(shuō)兩個(gè)氚原子，在一定條件下（如超高溫和高壓），會(huì)發(fā)生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-3，并伴隨著巨大的能量釋放。宇宙中恒星（包括太陽(yáng)）的能量就是由核聚變產(chǎn)生的。

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如果要進(jìn)行核聚變反應(yīng)，首先就必須提高物質(zhì)的溫度，使原子核和電子分開(kāi)，處于這種狀態(tài)的物質(zhì)稱(chēng)為“等離子體”。但我們知道原子核帶正電，彼此間會(huì)互相排斥，所以很難接近。若要克服其相斥的力量發(fā)生核聚變反應(yīng)，就必須適當(dāng)提高等離子體的溫度、密度和封閉時(shí)間﹝維持時(shí)間﹞。由于提高物質(zhì)的溫度可以使原子核劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)，因此溫度升高，密度變大，封閉的時(shí)間越長(zhǎng)，原子核間彼此接近的機(jī)會(huì)越大。

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目前人類(lèi)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸；也可以在實(shí)驗(yàn)室觸發(fā)可控制核聚變，但必須消耗能量（溫度要達(dá)到約1億度），輸入的能量比輸出的能量還大，或者核聚變發(fā)生時(shí)間極短。要想能量可被人類(lèi)有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，實(shí)現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。

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由于等離子體很快就會(huì)飛散開(kāi)來(lái)，所以要可控發(fā)生核聚變必須先將其封閉。用來(lái)使等離子體封閉的方法有許多種，太陽(yáng)內(nèi)部是利用巨大重力使等離子體封閉，而在地球上則必須采取別的方法。目前主要的幾種可控制核聚變方式：激光約束（慣性約束）核聚變和磁約束核聚變（托卡馬克）。

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3.?中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M與ITER

中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M就是利用磁約束核聚變的原理。磁約束聚變的作法是，先加熱燃料，使它成為等離子體形態(tài)，再利用磁場(chǎng)，封閉住高熱等離子體中的帶電粒子，將它約束在裝置內(nèi)進(jìn)行螺線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)一步加熱等離子體，直到產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。

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中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M（HL-2M）是HL-2A的改造升級(jí)裝置。改造后擁有更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，具備更強(qiáng)的二級(jí)加熱功率，等離子體溫度將有望超過(guò)2億攝氏度。磁約束聚變裝置通常隨著尺寸增加，產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀況也比較嚴(yán)重，而中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M配建大功率加熱系統(tǒng)，提高等離子體溫度和控制等離子體行為，可以有效控制磁流體的不穩(wěn)定性。

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世界上最大的磁約束等離子體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER），建在法國(guó)南部。ITER工程的目標(biāo)是從等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究，到大規(guī)模電力生產(chǎn)的核聚變發(fā)電廠(chǎng)的建設(shè)。“ITER”在拉丁文意為“道路”，因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)的縮寫(xiě)“ITER”也意味著和平利用核聚變能源之路。

ITER能容納的等離子體厚度將是當(dāng)下最大托卡馬克反應(yīng)堆的11倍。而之所以要建造如此大型實(shí)驗(yàn)裝置原因很簡(jiǎn)單——等離子體流越大、越長(zhǎng)，發(fā)生核聚變反應(yīng)的機(jī)會(huì)也就越大。ITER建設(shè)始于2013年，預(yù)計(jì)將于2021年完成建設(shè)并啟動(dòng)反應(yīng)堆，并于2025年開(kāi)始等離子體實(shí)驗(yàn)，2035年開(kāi)始進(jìn)行全氘-氚聚變實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目是由七個(gè)成員實(shí)體資助和運(yùn)行，歐盟、印度、日本、中國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)和美國(guó)。來(lái)自35個(gè)國(guó)家的數(shù)千名科學(xué)家和工程師合作參與。

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中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M將瞄準(zhǔn)和ITER物理相關(guān)的內(nèi)容，著重開(kāi)展和燃燒等離子體物理有關(guān)的研究課題，成為中國(guó)開(kāi)展與聚變能源密切相關(guān)的等離子體物理和聚變科學(xué)研究的不可或缺的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。未來(lái)中國(guó)科學(xué)家將結(jié)合ITER工程建造和即將開(kāi)展的物理實(shí)驗(yàn)研究以及國(guó)際聚變能研究發(fā)展的最新最近成果，在該裝置上開(kāi)展與聚變能研究相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)。

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核聚變相比核裂變有很多優(yōu)點(diǎn)，它產(chǎn)生的核廢料半衰期極短，對(duì)環(huán)境友好，假如發(fā)生核泄漏，總危害較低，最多只有一公里內(nèi)需要撤退。如果不維持核約束核聚變反應(yīng)就會(huì)立刻停止，安全性也更高。核聚變的原料來(lái)源很廣泛，如氘和氚的核聚變反應(yīng)，其原料可直接取自海水，幾乎取之不盡。

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核聚變是比較理想的能源獲得方式，因此絕大多數(shù)的反核能發(fā)電社會(huì)運(yùn)動(dòng)，都不反對(duì)核聚變發(fā)電。科學(xué)家正努力研究如何控制和利用核聚變，而雖然已經(jīng)取得一些成就，但仍然還有很長(zhǎng)的路要走。

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來(lái)源：科學(xué)網(wǎng)