十年內(nèi)，可控核聚變將在中國“點燈”

陳冰

行星發(fā)動機、量子計算機、太空電梯……電影《流浪地球2》中的“硬核科技”讓人嘆為觀止。實際上，無論是國外的科幻大片《鋼鐵俠》還是國內(nèi)的春節(jié)黑馬《流浪地球2》，它們并不僅僅只是電影人天馬行空的想象，而是有著現(xiàn)實支撐的“原型”——可控核聚變就是其中之一。

作為地球能源的供給者，太陽之所以能量源源不斷，就在于它內(nèi)部一直在進行大量的核聚變。人類主要消耗的化石能源（石油、天然氣、煤炭等）是存儲了億萬年之前光合作用產(chǎn)生的能量，但隨著人類對能源的需求越來越大，尤其是進入工業(yè)社會以后，化石能源加速消耗，可以預(yù)見，未來的100到300年，化石能源必然枯竭，人類的文明想要繼續(xù)發(fā)展，必須尋找新的能源。

科學(xué)家們將目光轉(zhuǎn)向了核聚變，如果能夠在地球上可控地實現(xiàn)核聚變，人類就可以擁有清潔而且源源不斷的新能源。在能源安全和碳中和兩大背景下，聚變能已成為大國競爭的戰(zhàn)略焦點，有望與可再生能源一起成為去碳化的王牌。

李建剛在墨子沙龍上，向我們講述了中國人在可控核聚變征途上的一次次突破。

只是可控核聚變，這份看上去事關(guān)人類命運共同體的偉大事業(yè)，花費了全球科學(xué)家?guī)资甑臅r間，卻一直進展緩慢。直到去年12月份，美國在核聚變研究上首次實現(xiàn)“凈能量增益”（產(chǎn)生的能量超過投入量），這意味著，人類可能距離擁有“近無限、安全、清潔”的能源又邁出一步。

其實，在中國合肥市西郊的科學(xué)島上，也有一座大科學(xué)裝置——EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），全稱是全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置。大家給它起了一個可愛的名字——“人造太陽”。2023年2月末，“人造太陽”EAST牽頭人、中國工程院院士李建剛在墨子沙龍上，向我們講述了中國人在可控核聚變征途上的一次次突破。

“我最大的夢想就是在我的有生之年，能夠有一盞燈被核聚變點亮，這盞燈一定要在中國合肥?！边@是中國工程院院士李建剛五年前在中央電視臺《開講啦》節(jié)目中許下的愿望。五年后的今天，李建剛“修改”了曾經(jīng)的表達：“過去我認為我的有生之年不一定看得到的，所以叫做‘夢想，而現(xiàn)在，新的時代和機遇給了我們絕佳的舞臺。我相信十年之內(nèi)，一定能看到有一盞燈在合肥被核聚變點亮?！?h3>核聚變——人類終極能源

1905 年 9 月 27 日，愛因斯坦提出了著名的質(zhì)能方程：E=mc? ，能量等于質(zhì)量乘以光速的平方。質(zhì)能方程的另一種表示是：ΔE=Δmc? ，產(chǎn)生的能量等于減小的質(zhì)量乘以光速的平方。這預(yù)示著伴隨著質(zhì)量的虧損會釋放出巨大的能量，由此開啟了核能時代。

隨著原子質(zhì)量數(shù)的增加，每個核子（質(zhì)子和中子）的平均質(zhì)量會經(jīng)歷先減小后增大的過程，因此核反應(yīng)存在兩種：重核裂變與輕核聚變，對應(yīng)的核能分別為核裂變能與核聚變能。

核聚變是兩個輕量元素的原子核聚合到一起，同時釋放巨大能量的核反應(yīng)。這種反應(yīng)在宇宙中非常普遍，所有自發(fā)光的天體（即恒星）都是天然的聚變體。距離我們最近的恒星是太陽，在太陽內(nèi)部約有百分之一的區(qū)域稱為日核區(qū)，這里溫度極高、壓強極大，如此環(huán)境使得聚變反應(yīng)持續(xù)發(fā)生。

可控核聚變，重現(xiàn)的是與太陽相同的反應(yīng)，就是將氫原子核相互碰撞之際發(fā)生的能量用于發(fā)電。在理論上，1克燃料可產(chǎn)生相當(dāng)于8噸石油的能量。如果可以實現(xiàn)像太陽一樣的連續(xù)核聚變反應(yīng)，我們便可以得到持續(xù)的能量產(chǎn)出，人類的能源困局和環(huán)境危機便會迎刃而解。

李建剛院士指出，可控核聚變具有三大優(yōu)勢。

首先，原料儲量巨大。目前相對容易實現(xiàn)且期望被率先實現(xiàn)的是氘—氚聚變反應(yīng)。其中氘原料存在于海水中，地球上海洋面積遼闊，其中蘊藏了超過40萬億噸的氘原料。1升海水就可以提取約 0.03 克的氘，后者產(chǎn)生的聚變能相當(dāng)于 300 升汽油，能讓一輛汽車從北京到廣州跑個來回。所以說，海水里邊的氘資源可以供我們?nèi)祟愑?00億年！

其次，氘—氚聚變反應(yīng)的最終產(chǎn)物是氦和攜帶大量能量的中子，不會造成任何污染，對環(huán)境是友好的。

最后，核聚變反應(yīng)具有固有安全特性。所謂固有安全性，就是永遠都安全。即便在極端失控條件下，它會在短時間內(nèi)自行終止反應(yīng)，產(chǎn)生的也只是氦氣，沒有長壽命的放射性氣體，非常安全可靠。

可控核聚變的原料來源廣泛，原料利用率高，可以說是“取之不盡，用之不竭”。

“可控核聚變發(fā)電時不產(chǎn)生二氧化碳，只要停止燃料供應(yīng)，反應(yīng)立刻停止，與核電相比，安全方面的風(fēng)險很低。”李建剛說，一座100萬千瓦的電站，如果是采用煤發(fā)電，大概要消耗150—200萬噸煤，產(chǎn)生400—500萬噸的二氧化碳排放。如果是裂變核電站的話，那么需要30噸鈾，而聚變核電站的話，每年僅消耗150公斤重水和鋰，且和裂變核電站一樣，完全沒有二氧化碳排放。

由此可見，可控核聚變無疑是“碳中和”背景下的必然選擇；它的原料來源廣泛，原料利用率高，相對于人類文明的時間尺度來說，可以說是“取之不盡，用之不竭”?！叭祟惤K極能源是80%的聚變加20%的可再生能源?！崩罱▌傉f。

“人造太陽”兩大難

那么，我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)可控核聚變呢？

與核裂變相比，核聚變反應(yīng)的效率更高，但實現(xiàn)難度更大。核聚變反應(yīng)需要同時滿足三個條件：足夠高的溫度、一定的密度和一定的能量約束時間。

李建剛指出，原子核只有在極高溫度（1 億攝氏度以上）下才具有足夠的能量克服彼此間的靜電能量壁壘 ，以啟動和維持核聚變反應(yīng)；而且必須保持一定的密度（粒子濃度）才能提高原子核的碰撞效率，以獲得足夠的有效反應(yīng)；此外，還需要大于1秒鐘的約束時間，高能量約束時間意味著良好的隔熱性能，以保持反應(yīng)物高溫。

滿足這三個條件，才僅僅是能夠觸發(fā)核聚變反應(yīng)，更為困難的是讓上述核聚變反應(yīng)可控和持續(xù)?！胺磻?yīng)物在極高溫下會完全電離，變?yōu)橐粓F由裸露原子核和自由電子組成的電離氣體，即等離子體。只有讓這些等離子體運動起來，才能實現(xiàn)持續(xù)的核聚變反應(yīng)?！崩罱▌傉f，約束這些等離子體有三種方式，太陽的核聚變是靠重力約束實現(xiàn)的，另外兩種就是以高功率激光作為驅(qū)動器的慣性約束和磁約束。

過去70年，美國一直嘗試用高能激光轟擊核聚變材料，借助激光產(chǎn)生的高溫高壓實現(xiàn)核聚變。2022年12月5日，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）將2.05兆焦的激光聚焦到核聚變材料上，產(chǎn)生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，達到了“點火”標(biāo)準(zhǔn)。

盡管單從數(shù)據(jù)上看，這次實驗產(chǎn)生的能量“只夠燒開10壺水”，但它的意義非常重大。根據(jù)核聚變反應(yīng)的勞森準(zhǔn)則，當(dāng)核聚變的能量產(chǎn)出率大于能量損耗率，并且有足夠的能量被系統(tǒng)捕獲和利用，就可以被稱為“點火成功”。但在過去幾十年中，這一直是科學(xué)家們未能實現(xiàn)的夢想。NIF從2010年開始正式的點火實驗，用了10多年時間才夢想成真。

磁約束核聚變成為了人類實現(xiàn)“人造太陽”夢想的途徑之一。

李建剛說，NIF設(shè)置了一個“小靶子”，“靶子”中有熱核材料，然后利用高能激光照射“小靶子”，點燃里面的熱核材料產(chǎn)生核聚變，最后輸出的能量就是核聚變能。“用美國能源部的話說，這是70年來美國科學(xué)中最偉大的突破之一?！?/p>

美國國家點火裝置NIF是世界上最大的激光裝置，造價高達35億美元，可以動用近200臺激光器產(chǎn)生的高能激光集中轟擊一個微小的核聚變材料靶標(biāo)，以啟動核聚變反應(yīng)。李建剛透露，中國也有類似的高能激光裝置。中科院與中物院聯(lián)合研制的“神光II”型高能量聚變激光器已于2000年建成投入運行。

下面再來說說另外一條技術(shù)路徑——磁約束聚變。

磁約束，顧名思義，就是讓核聚變產(chǎn)生的等離子體置身于有磁場的空間，帶電的原子核與電子在垂直于磁場的方向上不再自由，受到磁場作用力的帶電粒子只能沿著磁場方向做螺旋運動。這種磁場看不見、摸不著，也不接觸有形的物體，可以把炙熱的等離子體托舉在空中。

20 世紀 50 年代，蘇聯(lián)科學(xué)家提出一種名為“托卡馬克”的環(huán)形磁約束聚變裝置，這是一種形如面包圈的環(huán)流器，依靠等離子體電流和環(huán)形線圈產(chǎn)生的強磁場，將極高溫等離子狀態(tài)的聚變物質(zhì)約束在環(huán)形容器內(nèi)，以此實現(xiàn)核聚變反應(yīng)。在俄文中，托卡馬克一詞由環(huán)形、真空室、磁、線圈的前幾個字母組成。學(xué)界的主流認識認為，托卡馬克裝置離實現(xiàn)商用級可控核聚變更有希望。因此，磁約束核聚變就成為了人類實現(xiàn)“人造太陽”夢想的途徑之一。

即便有了這樣的裝置，“點火”和“持續(xù)燃燒”依然是人類必須攻克的兩座山頭。

東方超環(huán)橫空出世

李建剛說，約束等離子體的磁場，雖然不怕高溫，卻很不穩(wěn)定，且等離子體在加熱過程中能力也不斷損失，這給托卡馬克實際應(yīng)用帶來了重重挑戰(zhàn)。

1985年，時任蘇共中央總書記戈爾巴喬夫在日內(nèi)瓦峰會上，與時任美國總統(tǒng)里根的會面中提出一項倡議——由多國聯(lián)合開發(fā)核聚變裝置，以減少因爭奪能源可能引發(fā)的國際爭端。

隨后在1988年，人們開始了實驗堆的研究設(shè)計。這個項目后來成為了 ITER（國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆）——一個超大型托卡馬克裝置。整個裝置高約30米，相當(dāng)于10層樓高，等離子體環(huán)的半徑超過6米。它的目標(biāo)是把等離子體加熱到10億度，維持500秒的核聚變實驗，每小時用5萬度電的能量，而釋放出50萬度電的能量。

這項造福整個人類的宏偉計劃，由于牽涉國家利益較多，ITER計劃上演了長達十年的“選址糾紛”。直到2006年，ITER反應(yīng)堆正式啟動建設(shè)，參與方包括中國、歐盟成員國、美國、俄羅斯、韓國和日本等35個國家，其中中國在其中承擔(dān)約9%的采購包制造任務(wù)。

與此同時，上世紀90年代，蘇聯(lián)已經(jīng)著手開發(fā)第二代托卡馬克，有意把第一代裝置送給其他國家，在時任中科院等離子體物理研究所所長的霍裕平院士的領(lǐng)導(dǎo)下，我國用400萬人民幣的生活用品交換了蘇聯(lián)的一臺 T-7 的半超導(dǎo)托卡馬克，并為此在四川樂山建立了中國最大的磁約束聚變基地。

經(jīng)過拆解、重裝、改造，我國第一個托卡馬克建成了。很快，科學(xué)家們在其上取得了一系列優(yōu)于蘇聯(lián)的實驗成果，也培養(yǎng)了包括李建剛在內(nèi)的一批科學(xué)家。

2006年，就在中國加入ITER建設(shè)的同年9月28日，中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計、自主建造的新一代熱核聚變裝置EAST（東方超環(huán)）首次成功完成放電實驗。EAST成為世界上第一個建成并真正運行的全超導(dǎo)非圓截面核聚變實驗裝置。

院士小傳李建剛，中國工程院院士，理學(xué)博士，合肥國家科學(xué)中心能源研究院院長，中國磁約束聚變專家委員會召集人，中國物理學(xué)會副理事長。長期從事磁約束聚變研究，在等離子體加熱、偏濾器物理與工程、等離子體與材料相互作用、聚變堆設(shè)計等方面做出重要貢獻。

這座位于合肥科學(xué)島上中國科學(xué)院等離子體物理研究所的托卡馬克，是世界上首個全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置，其內(nèi)部 30 個超導(dǎo)線圈在極低溫條件下具有零電阻效應(yīng)，因而可以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的約束磁場，使聚變堆穩(wěn)態(tài)運行成為可能。

在 EAST 高 11 米、直徑 8 米的主機中，集成了超高溫（億攝氏度等離子體）、超低溫（-269 攝氏度超導(dǎo)線圈）、超高真空（大氣壓的百億分之一）、超強磁場（地磁場的數(shù)萬倍）、超大電流（普通插線盒的千倍以上）五大極限工況。

EAST 的設(shè)計建造是一項極為復(fù)雜的工程。李建剛院士形容超導(dǎo)托卡馬克之路“難于上青天”，“在時間和空間上的要求比航天飛機還要苛刻。航天飛機的調(diào)整時間有幾十秒鐘，空間也有幾百公里，但托卡馬克如果出現(xiàn)0.1毫秒的誤差，就燒得灰飛煙滅了”。

超導(dǎo)CICC及磁體技術(shù)、總控及數(shù)采系統(tǒng) 、2kW/4.5K 大規(guī)模低溫制冷系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)等一系列重大技術(shù)難關(guān)被我國科學(xué)家一一克服。以至于李建剛幽默地說，自己本來是物理學(xué)家，結(jié)果為了解決東方超環(huán)的工程問題，生生花20年成為了工程師，也因此成為了中國工程院院士。

建成于 2006 年的 EAST 裝置累計等離子體放電次數(shù)超過 10 萬次，先后于 2010 年運行 1 兆安等離子體電流，2021 年 5 月 28 日實現(xiàn)可重復(fù)的 1.2 億攝氏度 101 秒和 1.6 億攝氏度 20 秒等離子體運行，2021 年 12 月 30 日實現(xiàn) 1056 秒長脈沖高參數(shù)等離子體運行世界紀錄，在穩(wěn)態(tài)高性能方面處于國際領(lǐng)先。

李建剛說，成立于 1978 年的等離子體所，先后建成并運行了四代托卡馬克裝置，實現(xiàn)了我國聚變研究從跟跑到并跑再到領(lǐng)跑的跨越。每一次進步都為未來的“人造太陽”注入一縷光芒，我國科學(xué)家正逐漸把“人造太陽”從夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。等離子體所團隊成員有信心解決等離子體燃燒高效點火和穩(wěn)態(tài)維持及安全控制等科學(xué)和工程問題，讓聚變能的第一盞燈在中國點亮！

如果說“托卡馬克”是李建剛核聚變事業(yè)的“太陽”，那么，在李建剛心里，還有一個美好的“太陽”——“善良和互助是根植于人類心中的文明內(nèi)核，核聚變可以幫助人類擺脫資源匱乏帶來的災(zāi)難和戰(zhàn)亂，人類可以在解決能源危機的過程中互幫互助，這些都是文明發(fā)展的趨勢，也是‘人類共同體的應(yīng)有之義”。（本文部分資料來源于墨子沙龍公眾號）