可控核聚變?nèi)嗽焯柕闹R授課人：XXX前言20XX年8月25日，中核集團(tuán)下西南物理研究院宣布，新一代“人造太陽”“中國環(huán)流三號”托卡馬克裝置（HL2M）首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行，其以太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)為基礎(chǔ)原理，反應(yīng)后可以釋放龐大的能源。這項突破是核聚變裝置綜合能力的體現(xiàn)，也是我國核聚變能開發(fā)進(jìn)程中的重要里程碑。此前在XXX年11月，西物院就宣布HL2M等離子體電流首次突破100萬安培。這次實現(xiàn)的“高約束模式運(yùn)行”，究竟有怎樣的意義？目錄CONTENT01“人造太陽”的研究意義與運(yùn)行原理是什么？02“人造太陽”的研究進(jìn)展03未來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)04懸浮的超導(dǎo)材料01第一部分“人造太陽”的研究意義與運(yùn)行原理是什么？“人造太陽”其實是大規(guī)模熱核聚變反應(yīng)堆，其核心技術(shù)為核聚變技術(shù)。核聚變是一種將輕元素（如氫）在高溫、高壓條件下融合成重元素（如氦）的過程，通過聚變反應(yīng)，釋放出龐大的能量。這種通過人工聚變反應(yīng)釋放能量的形式和在恒星太陽中發(fā)生的核聚變反應(yīng)十分相似，因此被稱為“人造太陽”。redpptx.刪除色塊有圖片核聚變實現(xiàn)的條件十分嚴(yán)苛在太陽中，核聚變過程是在極高溫度（數(shù)百萬攝氏度）和極高壓強(qiáng)下發(fā)生的，這兩種條件缺一不可，科學(xué)家們在地球上使用了強(qiáng)大的磁場和等離子體來模擬這些條件。等離子體是一種高溫氣體狀態(tài)，通常是由氫同位素（如氘和氚）組成的，是由部分原子及原子團(tuán)被電離后電子被剝奪產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，科學(xué)家用磁場來控制帶電的等離子體運(yùn)動，防止其接觸到容器殼體，從而造成裝置損壞等嚴(yán)重后果。為了讓等離子體達(dá)到所需的高溫，科學(xué)家們使用各種加熱系統(tǒng)，如激光、微波或射頻加熱器等。當(dāng)?shù)入x子體達(dá)到足夠高的溫度和壓力時，核聚變反應(yīng)開始發(fā)生。這個過程將氫同位素核融合成更重的元素，通常是氘氚反應(yīng)，產(chǎn)生氦和中子，并釋放出巨大的能量。刪除色塊有圖片一旦核聚變發(fā)生，釋放出的能量需要被捕捉和利用。這些能量通過反應(yīng)室周圍的熱交換設(shè)備，轉(zhuǎn)化為電能。雖然目前尚未建成商業(yè)化的可控核聚變電站，但國際合作項目，如國際熱核聚變實驗堆（ITER），正在積極推進(jìn)這一目標(biāo)的實現(xiàn)。刪除色塊有圖片02第二部分“人造太陽”的研究進(jìn)展“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”就是“人造太陽”的官方名稱是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項目之一，ITER裝置是一種超導(dǎo)磁約束聚變裝置，也被稱為“托卡馬克”，可用于大規(guī)模核聚變反應(yīng)。刪除色塊有圖片中國于20XX年1月正式加入ITER計劃談判于2006年5月，中國ITER談判聯(lián)合小組與歐盟、印度等六方共同簽署了合作協(xié)定，并在2006年自行設(shè)計和研發(fā)出世界上第一個全超導(dǎo)磁約束聚變裝置，于2007年通過國家驗收。我國參與ITER計劃的決策，既是為提升我國基礎(chǔ)物理的科研水平，也是考慮長遠(yuǎn)的能源需求與環(huán)境情況，以確保有能力開發(fā)高效清潔的未來能源，保證我國社會可持續(xù)發(fā)展。20XX年7月28日，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃重大工程啟動儀式在法國總部舉行20XX年12月28日，韓國的超導(dǎo)托卡馬克高級研究開創(chuàng)了一個新的世界記錄。該超導(dǎo)磁約束聚變裝置成功維持了等離子體在超過1億攝氏度下的高溫狀態(tài)長達(dá)20s。而今年5月28日的凌晨3時2分，在我國科研人員長達(dá)40年的埋頭苦干后，“中國環(huán)流三號”全超導(dǎo)磁約束聚變裝置在1.2億攝氏度的極高溫度下實現(xiàn)了一百零一秒的等離子體運(yùn)行。甚至在溫度提升到1.6億攝氏度的恐怖溫度后，聚變裝置仍能溫度運(yùn)行20秒。03第三部分未來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)“人造太陽”所運(yùn)用的可控核聚變技術(shù)，是基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的重大難關(guān)核聚變的研究和應(yīng)用是一項龐大、復(fù)雜的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，在全球范圍內(nèi)，數(shù)以千計的科學(xué)家和工程師夜以繼日協(xié)同配合，尋幽探秘，花費(fèi)了幾十年的光陰對可控核聚變核心技術(shù)不懈探索，也耗費(fèi)了巨大的物質(zhì)和人力資源。然而，當(dāng)今可控核聚變?nèi)匀淮嬖谥恍┬枰獜浹a(bǔ)的空間和困難。刪除色塊有圖片04第四部分懸浮的超導(dǎo)材料①電能的巨大需求與損耗要控制“人造太陽”中的高溫等離子體，就需要一個巨大的磁場。以國際熱核聚變反應(yīng)堆（IETR）為例，其磁場高達(dá)13萬高斯，維持這種強(qiáng)度的磁場就需要往導(dǎo)體中通入巨大的電流。由于電阻的存在，導(dǎo)體發(fā)熱十分嚴(yán)重，這就會造成巨大的電能損耗。而目前的超導(dǎo)材料大都需要高壓低溫的環(huán)境，這就使得一個“人造太陽”中出現(xiàn)了“冰火兩重天”，很難實現(xiàn)。刪除色塊有圖片②能量輸入和輸出平衡在可控核聚變中，必須確保能量輸入大于等于輸出，以維持核聚變過程，這也被稱為“勞森判據(jù)”。這就要求工程人員在投入大量的能量加熱等離子體的同時，要收集和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的能量。刪除色塊有圖片③材料的耐受性目前，等離子體產(chǎn)生的高能中子會損害殼體和其他材料。因此，材料學(xué)家仍需要開發(fā)新的材料，以提高它們的輻照耐受性，以便反應(yīng)堆能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。刪除色塊有圖片④控制等離子體等離子體是一種高度不穩(wěn)定的狀態(tài)，其內(nèi)部的溫度和壓力在空間上分布也不均勻，這會導(dǎo)致等離子體非常不穩(wěn)定?？茖W(xué)家研究更穩(wěn)妥的方式實現(xiàn)精確控制，以防止其漂移、扭曲或磁場失穩(wěn)。刪除色塊有圖片⑤大規(guī)模資金要進(jìn)行可控核聚變研究需要建設(shè)龐大的實驗室，如國際熱核聚變實驗堆（ITER），這需要龐大的資金和國際協(xié)作。這些建設(shè)是為了容納復(fù)雜的設(shè)備和大規(guī)模的實驗，以模擬核聚變反應(yīng)。刪除色塊有圖片尾言聚變能源擁有原料無盡、零環(huán)境污染、以及不產(chǎn)生高放射性核廢料等諸多優(yōu)勢，因此被認(rèn)為是未來人類能源的主要前景之一。研究“人造太陽”就是人