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四代科研工作者、12萬(wàn)多次實(shí)驗(yàn)、10余次創(chuàng)造世界紀(jì)錄……中國(guó)有“人造太陽(yáng)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）屢獲重大突破，今年4月12日成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒的新世界紀(jì)錄。

此前的高約束模式運(yùn)行世界紀(jì)錄，是EAST于2017年創(chuàng)造的101.2秒。我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的EAST由此成為世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束達(dá)到百秒量級(jí)的托卡馬克裝置。

EAST于 2007 年正式投入運(yùn)行。它具有非圓截面、全超導(dǎo)及主動(dòng)冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)三大特點(diǎn)，可為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）和未來(lái)中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆的建設(shè)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行提供直接經(jīng)驗(yàn)。

EAST為何被稱為“人造太陽(yáng)”？ 實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電還要等多久？

2021年4月13日，工作人員在中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院對(duì)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）進(jìn)行升級(jí)改造。

恒星能量主要來(lái)自氫核聚變。當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到，宇宙間的能量，無(wú)非就是粒子的分分合合，石油充其量只能算個(gè)四級(jí)經(jīng)銷商，那么不如直接從粒子那里搞批發(fā)，自己擰原子核，于是就出現(xiàn)了“可控核聚變”的概念。

核聚變的主角是氫元素，氫元素按中子數(shù)量分三種：氕、氘、氚。氕（H）不帶中子，習(xí)慣叫“氫”，氘（D）帶一個(gè)中子，氚（T）帶兩個(gè)中子，都比氕重，反應(yīng)截面大，更容易擰。這好比擰太輕的東西容易手滑，稍微重些有利于使勁。所以，聚變最喜歡擰氘。

那么，氘、氚從哪里來(lái)？普通水中就有重水（氘），只是比例很低，首先利用氕氘重量的差異，采用多級(jí)蒸餾，初步得到較高濃度的重水。然后電解，輕水比重水更容易電解，電解完之，剩下的就是比較純的重水了。氚比較麻煩，半衰期只有12.43年，地球上幾乎不存在天然氚，只能人工合成，通常利用反應(yīng)堆的中子轟擊鋰-6化合物獲得，相當(dāng)貴。

聚變并不是氘、氚的專利，理論上說(shuō)，所有鐵以下的原子聚變都會(huì)釋放能量，排名第二的氦元素就成了次佳選擇，氘和氦-3、氦-3和氦-3的聚變也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。理論夠不著的地方還有潛力可挖，比如太陽(yáng)的主要聚變?nèi)剂暇褪请?。氕核只有質(zhì)子沒(méi)有中子，聚變條件非?？量?，現(xiàn)有聚變理論從沒(méi)考慮過(guò)氕氕聚變。但太陽(yáng)已經(jīng)告訴我們，4個(gè)氕核可以聚變成1個(gè)氦核，釋放的能量相當(dāng)驚人。

那么，可控核聚變什么時(shí)候能實(shí)現(xiàn)？

原子核帶正電，兩個(gè)原子核越靠近排斥力越大，通常做法是讓它們高速相撞，只要速度足夠快，就可以抵消這個(gè)排斥，擰成一個(gè)核。

溫度的本質(zhì)是粒子的運(yùn)動(dòng)速度，100攝氏度的空氣和10攝氏度的空氣，只是分子速度不同而已。為了讓原子核擁有足夠的速度相撞，就需要足夠的溫度，所以擰原子核都很燙。

單位體積內(nèi)的原子核越多，相撞的概率就越大，實(shí)在密度不足的，就多維持一段時(shí)間。

溫度、密度以及維持的時(shí)間，三者必須滿足特定的條件，這叫勞遜判據(jù)。滿足勞遜判據(jù)，聚變產(chǎn)生的能量就能維持聚變自身消耗的能量，聚變才會(huì)持續(xù)下去，俗稱“聚變點(diǎn)火”。溫度、密度、持續(xù)時(shí)間三者乘積達(dá)到10的22次方，就可以滿足聚變點(diǎn)火的條件。為了達(dá)到這個(gè)條件，不能過(guò)分追求單項(xiàng)性能，而是要在三者之間找到一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)，比如氘氚聚變的理想溫度是在1億-2億攝氏度之間。

有三個(gè)辦法。第一，引力約束，就是太陽(yáng)燃燒的原理，單純靠萬(wàn)有引力硬生生把氫原子擰成氦原子。不過(guò)，即便你把整個(gè)地球拆了做成聚變裝置，引力也無(wú)法滿足勞遜判據(jù)。

于是，我們還剩兩條路：慣性約束與磁約束。

慣性約束，是用N束激光從四面八方圍著一個(gè)芝麻大小的氘氚球打，瞬間將原子核擠成高溫高壓，達(dá)到聚變條件，俗稱“激光打靶”。打完之后，換上另一粒芝麻，繼續(xù)打。

可問(wèn)題是，這樣一陣一陣，怎么做到持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電呢？美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF），可在一瞬間將上兆焦耳的能量通過(guò)192束激光打在一粒芝麻上，自2010年正式點(diǎn)火后一路連刷紀(jì)錄。此外，法國(guó)兆焦耳（LMJ）、中國(guó)“神光”系列、日本GEKKOXII也都不是等閑之輩。

但總的來(lái)說(shuō)，激光打靶用于聚變發(fā)電的技術(shù)路線還是有些難辦，我們趕緊來(lái)說(shuō)說(shuō)第三個(gè)辦法：磁約束，用磁場(chǎng)把原子核擰到一起。到了一億攝氏度，原子核和電子早被打散，成了“等離子體”。沒(méi)了電子的氫核帶正電，正好可以被磁場(chǎng)約束。

用磁場(chǎng)把1億攝氏度的氘氚放一起就完了？后面的事可多著呢。

*等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

等離子體形態(tài)跟氣體似的，除了傳統(tǒng)的流體力學(xué)，還有非常復(fù)雜的電磁相互作用。而聚變等離子體是流體力學(xué)、電磁作用、極端條件的疊加，其行為難以預(yù)測(cè)，本來(lái)反應(yīng)很順利，一點(diǎn)點(diǎn)擾動(dòng)就瞬間“翻臉”，明明什么條件都滿足了，但它就是不聚變。好不容易把反應(yīng)模型算好了，比如你發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)分布像麻花一樣反應(yīng)效率最高，在計(jì)算機(jī)上模擬順暢無(wú)比，最后還得建個(gè)實(shí)物才能驗(yàn)證到底行不行，這裝置要用到大量超導(dǎo)材料。

*第一壁材料

聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子能量高達(dá)14MeV，而原子之間的化學(xué)鍵能量只有10eV級(jí)別，兩者整整差了一兆倍。直接面對(duì)聚變反應(yīng)的內(nèi)壁材料（有個(gè)形象的名字：第一壁材料），已超出了耐高溫的概念，簡(jiǎn)直就是給太陽(yáng)加外套，時(shí)間一長(zhǎng)，任何原子都會(huì)被打飛。

可控聚變的難點(diǎn)還有一大把：氚不斷減少，得想辦法補(bǔ)充；氦不斷增加，得想辦法排出；制造磁場(chǎng)的超導(dǎo)材料至少要在零下200攝氏度的液氮環(huán)境工作，甚至是更冷的液氦，而里面的核心區(qū)溫度卻超過(guò)1億攝氏度，中間只隔了幾步路。

若定個(gè)衡量指標(biāo)，把“輸出能量/輸入能量”的比值叫作“Q值”，Q大于1意味著“輸出大于輸入”。算上成本，燒鍋爐的汽輪機(jī)熱電效率在40%-70%，再算一些損耗，暫且認(rèn)為Q=2.5是成本。商業(yè)應(yīng)用一般認(rèn)為要Q>30才行。劃分一下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

Q＞0，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，原理性突破標(biāo)志；

Q＞1，輸出能量大于輸入能量，“盈虧平衡”突破標(biāo)志；

Q＞2.5，輸出能量轉(zhuǎn)化為電能后仍大于輸入能量，“實(shí)用化”突破標(biāo)志；

Q＞30，輸出能量轉(zhuǎn)化為電能后可實(shí)現(xiàn)盈利，“商業(yè)化”突破標(biāo)志。

聚變這攤子事實(shí)在太多，為了避免迷路，先看一眼地圖，按圖索驥，從最經(jīng)典、最被看好的“托卡馬克”說(shuō)起。

托卡馬克的磁約束特征是，縱向場(chǎng)線圈和極向場(chǎng)線圈分明，縱向磁場(chǎng)完全由外部的線圈提供，極向磁場(chǎng)由線圈和等離子體電流產(chǎn)生，兩個(gè)磁場(chǎng)共同約束等離子體。等離子體有電阻，可以利用歐姆效應(yīng)加熱，也就是用感應(yīng)電流給等離子體通電，而且通電后的等離子體相當(dāng)于一個(gè)線圈，還會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。不過(guò)溫度升高后歐姆加熱效率降低，后期還要輔助加熱手段，比如射頻波共振加熱、中性束注入加熱等。

利用線圈和等離子體電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)約束氘氚，利用感應(yīng)電流和其他手段狠狠加熱，這就是托卡馬克的原理。

蘇聯(lián)從1958年開(kāi)始不斷嘗試，幾經(jīng)升級(jí)終于在1968年有了能量輸出，人類第一次刷到了Q值，雖然只有十億分之一，但至少證明路子是可行的。一時(shí)間各國(guó)紛紛跟進(jìn)，進(jìn)入20世紀(jì)80年代技術(shù)路線趨于成熟，于是建造了一堆大型托卡馬克，準(zhǔn)備上真正的氘氚反應(yīng)。

1991年，歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）實(shí)現(xiàn)了史上第一次氘氚反應(yīng)，持續(xù)了2秒，Q值0.12。1993年，美國(guó)的托卡馬克聚變測(cè)試反應(yīng)堆（TFTR）把Q值刷到了0.28。1997年，歐洲聯(lián)合環(huán)又刷出了0.67的歷史新高度。隨后，日本的JT-60成功進(jìn)行了氘氘反應(yīng)，換算回氘氚反應(yīng)的Q值相當(dāng)于1.25（但因?yàn)槭菗Q算值，Q值基本不算數(shù)）。

當(dāng)別人還在用銅線的時(shí)候，蘇聯(lián)的T-7托卡馬克裝置就用上了超導(dǎo)；T-7上馬沒(méi)幾年，又開(kāi)始建造更大的T-15。蘇聯(lián)解體后，大量人才流失，項(xiàng)目停滯。T-15雖沒(méi)有亮眼的運(yùn)行紀(jì)錄，但憑借傲人的設(shè)計(jì)，依然和歐洲聯(lián)合環(huán)、美國(guó)TFTR、日本JT-60一起位列前四。

除此之外，還有不少水平不錯(cuò)的聚變裝置。法國(guó)的Tore-supra是世界上第一個(gè)真正實(shí)現(xiàn)高參數(shù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的裝置，放電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)120秒。這里的“放電”不是發(fā)電的意思，是指把氘電離成等離子體，只是聚變反應(yīng)的第一步，但依然非常了不起。要知道，其他裝置雖然刷到了Q值，但持續(xù)時(shí)間都只有幾秒鐘。還有德國(guó)的ASDEX-U、TEXTOR也實(shí)力不俗，刷出不少紀(jì)錄。

很多工業(yè)強(qiáng)國(guó)都涉足聚變領(lǐng)域，全球前前后后累計(jì)造了幾十個(gè)聚變堆，卻發(fā)現(xiàn)可控核聚變?cè)谖迨陜?nèi)都榨不出“油水”，于是一批托卡馬克陸續(xù)關(guān)閉，Q值紀(jì)錄就停留在1997年的0.67。

作為僅次于國(guó)際空間站的全球第二大科研合作項(xiàng)目，ITER目標(biāo)定得相當(dāng)高：Q值超過(guò)10，輸出能量功率500兆瓦，與當(dāng)前核電站的功率相當(dāng)。但是，進(jìn)度幾年幾年往后延，眼看著就陷入了僵局。關(guān)鍵時(shí)刻中國(guó)出手了，這就是中國(guó)核聚變的故事。

20世紀(jì)70年代，我們上了第一臺(tái)托卡馬克CT-6，接著又上了環(huán)流器一號(hào)（HL-1），還有HT-6、HT-6B、HL1M、環(huán)流器二號(hào)（HL-2）。后來(lái)，蘇聯(lián)的T-7輾轉(zhuǎn)到中國(guó)后又做了不少升級(jí)，改名HT-7（合肥超環(huán)）。2006年，世界第一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）橫空出世（別人都是部分線圈超導(dǎo)）。

此后，EAST開(kāi)始全面刷紀(jì)錄，而且行事頗有章法，并不直接追求Q值，官方定義是：研究等離子體穩(wěn)態(tài)約束的可行性。也就是說(shuō)，先讓等離子體長(zhǎng)時(shí)間保持1億℃以上，不著急進(jìn)行聚變反應(yīng)。

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方面，EAST屢屢創(chuàng)下世界紀(jì)錄，1.2億℃維持101秒，1.6億℃維持20秒，7000萬(wàn)℃維持1056秒。2020年12月，規(guī)模更大、參數(shù)更高的中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）在成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電。

在托卡馬克硬件建設(shè)方面，中國(guó)很快就展示出了工業(yè)大國(guó)的實(shí)力。ITER打算2025年實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，很大一部分原因是中國(guó)承擔(dān)了大量核心關(guān)鍵部件的制造及安裝任務(wù)，包括校正場(chǎng)線圈、環(huán)向場(chǎng)線圈導(dǎo)體、極向場(chǎng)線圈導(dǎo)體、磁體饋線系統(tǒng)、包層第一壁、包層屏蔽模塊、診斷系統(tǒng)等等。

當(dāng)然，光靠我們一家是不夠的，ITER有100多萬(wàn)個(gè)部件，總重2.3萬(wàn)噸（我們的EAST才400噸），全球35個(gè)主要工業(yè)國(guó)都有自己的任務(wù)。

比如，資金并不充裕的歐洲聯(lián)合環(huán)，于2021年12月再次進(jìn)行了一輪昂貴的氘氚（D-T）反應(yīng)，1.5億攝氏度的氘和氚保持了5秒鐘，聚變反應(yīng)釋放了59兆焦耳的能量，刷新了輸出能量的世界紀(jì)錄，為即將投入試運(yùn)行的ITER進(jìn)行鋪路實(shí)驗(yàn)。

無(wú)論EAST怎么刷紀(jì)錄，依然無(wú)法改變托卡馬克的缺點(diǎn)：太復(fù)雜。依靠外部線圈和等離子體電流產(chǎn)生的耦合磁場(chǎng)，一起約束等離子體。這樣的設(shè)計(jì)非常微妙，一旦出現(xiàn)擾動(dòng)瞬間就會(huì)放大，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。其實(shí)一開(kāi)始大家就覺(jué)得托卡馬克很棘手，所以蘇聯(lián)想出托卡馬克時(shí)，仿星器的設(shè)計(jì)也差不多同時(shí)間提出來(lái)。

仿星器的思路是：所有的磁場(chǎng)都由外部線圈提供而不用等離子體電流，所以只要保持線圈穩(wěn)定，磁場(chǎng)就能穩(wěn)定，這樣就提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

想法很好，可是由于聚變等離子體特性，使得磁場(chǎng)分布也很奇特，進(jìn)而導(dǎo)致線圈也設(shè)計(jì)得很奇特。

早期計(jì)算機(jī)的模擬能力差，線圈加工難度也很大，線圈最終產(chǎn)生什么樣的磁場(chǎng)全靠緣分，所以仿星器一開(kāi)始就不熱門。歐洲各國(guó)、美國(guó)、日本都做過(guò)仿星器，后來(lái)蘇聯(lián)把托卡馬克做出Q值后，仿星器“失寵”就更嚴(yán)重了，美國(guó)甚至還把仿星器直接改成了托卡馬克。

隨著托卡馬克陷入瓶頸，超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能發(fā)展，仿星器又重出江湖。于是，當(dāng)年的仿星器制造高手德國(guó)再度出手，世界上最大的仿星器文德?tīng)柺┨┮颍╓endelstein）7-X于2015年實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。

磁約束還有第三條路：反場(chǎng)箍縮。大致原理是縱向磁場(chǎng)由外部線圈產(chǎn)生，極向磁場(chǎng)則完全由等離子體電流產(chǎn)生。不過(guò)，目前來(lái)看這路子也不好走，美國(guó)做了快20年反場(chǎng)箍縮，約束時(shí)間還停留在毫秒級(jí)（托卡馬克已經(jīng)幾百秒了），中國(guó)的“科大一環(huán)”、意大利的RFX、日本的TPE-RX、瑞典的EXTRAP-T2R也全都在萌芽狀態(tài)。

蘇聯(lián)物理學(xué)家列夫·阿爾齊莫維奇（Lev Artsimovich）說(shuō)過(guò)一句至理名言：“當(dāng)整個(gè)社會(huì)都需要的時(shí)候，聚變就會(huì)實(shí)現(xiàn)。”可控核聚變雖然困難重重，但不可否認(rèn)，當(dāng)前的能源還可以支撐人類社會(huì)發(fā)展很多年，聚變確實(shí)不算是現(xiàn)在最緊迫的事情。

ITER計(jì)劃準(zhǔn)備于2025年實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，2035年開(kāi)始氘氚反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，即便一切順利，ITER也只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)聚變堆，無(wú)法發(fā)電。想要發(fā)電還得重新建一個(gè)商業(yè)聚變堆，時(shí)間就不好說(shuō)了。

好在，2017年，中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目（CFETR）正式啟動(dòng)，計(jì)劃2035年建成聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，2050年建成聚變商業(yè)示范堆，實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電。

人類技術(shù)進(jìn)入原子核層面后，想象空間確實(shí)大了很多，在很多問(wèn)題上不再像只有化學(xué)反應(yīng)時(shí)那么絕望，尤其是航天領(lǐng)域，走出太陽(yáng)系這么大的事居然也可以憧憬了。