少年轻科普 大国工程：小细节里的中国创新密码

本书属于“少年轻科普”丛书，是面向7-12岁小读者的科普童书。本书聚焦于十八大以来，关于“深空、深蓝”方向和交通、生活基础设施建设方面的 19 个中国了不起的大国工程，如中国天眼、东方超环、天舟货运飞船、珠港澳大桥、北斗卫星导航系统……饶有趣味地介绍了每个大工程当中不可或缺的一个小细节或科技创新的闪光点，是一本“从小切口、观大世界” 的科普童书。文字幽默好读，科学知识严谨，带领小读者从特别的角度窥见大国工程背后前沿的科学知识，了解了不起的中国智慧、中国制造。

主编史军，植物学博士，中国植物学会科学传播工作委员会成员，中国科普作家协会会员，儿童科普图书策划人。毕业于中国科学院植物研究所。 策划出版《果壳阅读·生活习惯简史》《大嚼科学》系列儿童科普图书。著有《水果与香草：甜蜜芬芳的植物学》《植物学家的锅略大于银河系》《植物学家的筷子和银针》《水果史话》《蔬菜史话》《花花草草和大树，我有问题想问你》《植物，了不起的人类职业规划师》等。

EAST东方超环：探求未来理想的清洁能源 在合肥西郊的科学岛上，有一颗璀璨的“星星”正在闪耀，那是我们的“人造太阳”——东方超环。在这里，科研人员们正在用他们的智慧与汗水，探索着人类能源的未来可能。 别以为这颗“人造太阳”只是一种比喻。其实，东方超环的工作原理，就是模仿太阳内部的核聚变过程，像太阳一样产生能量。这种能量无污染、可再生，如果能被我们掌握，那将为人类的未来带来无限可能。 核聚变与核裂变：两种截然不同的能源释放方式 比起核聚变，我们更熟悉核能的另一种能量释放方式——核裂变。核裂变是指重原子核被中子击中后分裂为两个或几个较小的原子核，损失质量同时释放出大量的能量。我们现有的大部分核电站，就是利用核裂变的原理来产生能量。核裂变的优点是技术相对成熟，但缺点是会产生大量放射性废料，对环境有一定的影响。 相比之下，核聚变则是两个轻原子核结合成一个更重的原子核，同时释放出大量能量，太阳和其他恒星就是通过核聚变的方式来释放能量。 核聚变反应产生的大部分能量，都以中子这种高速粒子形式存在。中子不带电荷，可以穿过聚变反应装置。装置外部会覆盖一层厚厚的铅或钢制的“毯子”，来吸收中子并将它们的能量转化为热量。这些热量可以用来烧水产生蒸汽，推动与传统发电厂相似的蒸汽涡轮发电机，最终将产生的电输向电网。 与核裂变相比，核聚变有许多优势。核聚变的原料在自然界中非常丰富，比如海水中就含有大量的氘，足以供应人类几十亿年的能源需求。核聚变的生成物主要是氦气，对环境几乎没有影响。核聚变的能量密度极高，理论上，1升海水中的氘，通过核聚变可以产生的能量，相当于300升汽油燃烧所释放的能量。核聚变的安全性也更高，一旦反应失控，高温的聚变燃料会立即冷却，聚变反应自然停止。 核聚变技术的挑战与中国的创新之路 尽管核聚变技术具有巨大的潜力，但要实现可控核聚变，我们需要解决很多技术挑战。太阳用极高的温度和压力维持着核聚变反应的发生，目前人类技术无法创造出太阳那么高的压力，就必须创造出比太阳核心还要热的环境来弥补。 面对挑战，中国科学家们自主设计和建造了东方超环，英文缩写是“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”的含义。 小贴士：托卡马克 托卡马克“Tokamak”是环形（Toroidal）、真空室（Kamera）、磁（Magnit）、线圈（Kotushka）的首字母组合，这种设备由苏联科学家发明，其名称来源于俄语缩写ТОКАМАК，直译为“环形真空磁笼”，是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器。 EAST于2006年建成，是世界上第一个采用全超导磁铁的聚变装置。高11米，直径8米，重约400吨，主要组成部分是一个“甜甜圈”形的真空室。 实验开始时，科研人员会向真空室内注入少量氢的同位素氘或氚，并加热到几千万甚至上亿摄氏度。物质的温度如果高于10万摄氏度，原子中的电子会脱离原子核的束缚，形成高温等离子体。在这种极高温度下，氘和氚的原子核会克服它们之间的斥力，发生聚变反应，生成更重的氦原子核，同时释放出大量的能量。 然而，由于等离子体的温度极高，目前没有任何物质可以承受这样的高温，如果让它接触到反应器，反应器将会被瞬间融化。另外一方面，接触任何物体都会让等离子体降温，反应也随之熄灭。因此，EAST装置用真空绝热，同时采用强磁场来约束等离子体，将它们“托举”到半空中持续加热，同时又防止它与反应器接触。这个强磁场是由装置内部的超导磁体产生的，由于超导磁体没有电阻，所以可以持续产生稳定的强磁场，对等离子体进行有效的约束。 EAST还配备了高精度诊断系统，可以实时监测等离子体的状态，为精确控制聚变反应提供了重要的数据支持。 在“终极能源”技术的追逐赛中，从落后到取得领先 核聚变能是被全人类寄予厚望的未来能源方式，被誉为“终极能源”。如果你把它想象成一场跑步比赛，那么这场比赛的起跑线在1958年，当年联合国在日内瓦召开的和平利用原子能会议是可控核聚变国际合作研究的开端。从那时起，全世界的科学家们就开始了这场赛跑。 中国的核聚变研究从20世纪70年代起跑，晚于其他国家20多年。20世纪90年代，我们引进了苏联的工业试验用托卡马克装置，经过重新设计、研制，成为中国的第一台超导托卡马克装置，应用于物理研究。 虽然这台托卡马克的成功非常振奋人心，但是要想跻身世界前列，获得国际同行的认可，就必须自主创新，取得全面的原创性成果。 作为全超导托卡马克核聚变实验装置的东方超环，成为世界核聚变研究领域的一匹黑马，近年来打破了一项又一项世界纪录。2015年，东方超环完成了一次全面升级，这之后更是能力大涨。2016年，EAST实现了超过5000万摄氏度等离子体运行102秒；2021年，创造了1.2亿摄氏度101秒等离子体运行的世界纪录；2021年12月30日，更是实现了7000万摄氏度高温下1056秒运行。2023年4月，EAST又创造了403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行的新世界纪录。简单总结就是，要么运行时的温度等参数高，要么运行时间长，经常在这两个要素上打破世界纪录。 我们的梦想：点亮世界第一盏核聚变能灯 EAST的每一次突破，都代表着对核聚变技术理解的进一步深化，是对未来能源的一次探索。这不仅是对科学理论的验证，也是工程技术的实践进步。 我们的“人造太阳”，站到了世界核聚变研究的最前沿。下一代“人造太阳”中国聚变工程实验堆也在路上了，随着我国在核聚变领域研发能力的不断提升，中国智慧正在引领世界的能源研究方向。 这一切的努力都是为了一个目标——成为第一个实现核聚变发电的国家，点亮世界第一盏核聚变能灯。

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