太阳为何能持续燃烧如此漫长的时间?它具体消耗的是什么燃料?为何经过数十亿年,它依然毫无熄灭的迹象?这些问题困扰着人类千年,直至20世纪才得以揭晓。科学家们发现,太阳的内部充满了各种轻质且活跃的元素,在极端条件下不断碰撞与融合,形成更重的元素。这种碰撞和融合释放出的能量,庞大到令人震惊。恒星正是凭借这样的过程“生存”,太阳的燃料似乎源源不断。理解了这一点后,人类不禁产生了新的想法:能否利用这种能量?更进一步,能否在地球模拟出类似太阳的能量来源?深思熟虑后,科学家们设想构建一颗“人造恒星”。这在过去听上去如同幻想,但如今我们正在逐步实现此目标,这就是核聚变。
核聚变的潜力令人向往,类似于6G互联网与前沿人工智能,毫无疑问被视为全球科技界的“下一个风口”,其承诺为人类带来的,正是一颗“人造太阳”。所谓的人造太阳,本质上是一种装置,一台反应堆,能够在地面复现太阳的极端环境,成功引发核聚变反应。中国已经成功建立了一台这样的设备,名为托卡马克,外形像一个巨型金属甜甜圈。该设备通过超高温和高压促使原子相互结合,这次,当反应堆点亮并启动时,不仅实现了原子的融合,还打破了自身保持的世界纪录。
在2023年的实验中,这台反应堆在1000万摄氏度下持续了403秒,相当于约7万台烤箱同时高温运行了7分钟。而在最新的实验中,反应堆的温度突破至1亿摄氏度,稳定运行了1066秒,即17分46秒,创下前所未有的时长,成为一个里程碑。这项伟大的成就由被称为EAST(东方超环)的设备实现,坐落于合肥的科学岛。此次实验,不仅成功地将等离子体温度稳定维持在1.2亿摄氏度,还使得在1亿度下的高约束等离子体连续燃烧了1066秒,这个时间是之前纪录的2.6倍。
为何全球都在关注这个领域?因为核聚变被视作“能源的圣杯”。它代表着人们对未来能源美好愿景的追求:能提供几乎无限的能量,加速航天技术的发展,推动癌症研究,为电网提供稳定电力。核聚变的效率尤为关键,它释放的能量是煤、石油或天然气的400万倍,不会产生温室气体,也没有放射性废物。这意味着核聚变可能是人类能源的最终解答,更是应对气候变化的根本解决方案。
实现核聚变需要完成多个困难任务:将小团气体加热至高不可攀的温度;牢牢锁住热量,确保持续足够长的时间;施加巨大的压力,保持系统稳定。任何一环出错,整个过程可能会失败。1亿度的高温意味着什么?地球上熔点最高的金属是钨,稍超过3400度,而1亿度的温度则是不可想象的。因此,科学家们选择用磁场来控制,而不是使用传统容器,这便是托卡马克的工作原理。
核聚变的发展之路漫长而艰辛,业内流传着一句带有自嘲与无奈的说法:“可控核聚变永远还有50年”,这一说法自上世纪50年代流传至今,近70年来从未停止过探索。科学家们历经数代人接力奋斗,从最初的小型机具发展到今时如今的庞大反应堆,成就斐然。追寻这颗“人造太阳”的国家并不在少数:美国、法国、俄罗斯、韩国、日本、印度和中国等国积极参与。而在私营领域,随着一系列核聚变初创公司的诞生,资本界也纷纷投入其中,知名企业家如比尔·盖茨、杰夫·贝索斯等也在此领域下注。全世界对核聚变的竞争变得愈发激烈,亟欲成为“聚变历史”的开创者。
然而,追问这些国家和资本投入巨资的理由,答案并不仅是为了拯救地球或创造便宜电力,其实背后的逻辑依然如故:财富。谁能首先掌控核聚变,谁就能获得巨大的经济利益和政治影响力。最初,美国是最早进入这个领域的国家之一,但如今,中国在“人造太阳”的建设上,投入资金不遗余力,每年花费约15亿美元,而美国每年仅投入约8亿美元,相对中国甚至不到一半。美国虽负责设计先进的托卡马克,中国则以更快更优的方式推进其制造。这样的局面反映出,中国在核聚变领域的成就,不断展现出超越美国的潜力,成为引领者。在过去十年中,中国在核聚变领域的专利数量迅速增加,已超越其他国家,并多次打破核聚变的世界纪录。