四代科研工作者,、12萬多次實驗,、10余次創(chuàng)造世界紀(jì)錄……中國有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）屢獲重大突破,，今年4月12日成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒的新世界紀(jì)錄。

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

EAST于 2007 年正式投入運行。它具有非圓截面,、全超導(dǎo)及主動冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)三大特點，可為國際熱核聚變實驗堆（ITER）和未來中國聚變工程試驗堆的建設(shè)和穩(wěn)態(tài)運行提供直接經(jīng)驗。

EAST為何被稱為“人造太陽”,？ 實現(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)研究院對全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）進(jìn)行升級改造。

恒星能量主要來自氫核聚變,。當(dāng)人們認(rèn)識到,，宇宙間的能量，無非就是粒子的分分合合,，石油充其量只能算個四級經(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）帶一個中子,，氚（T）帶兩個中子，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,？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，所有鐵以下的原子聚變都會釋放能量,，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,。理論夠不著的地方還有潛力可挖,，比如太陽的主要聚變?nèi)剂暇褪请印ｋ酥挥匈|(zhì)子沒有中子,，聚變條件非?？量蹋F(xiàn)有聚變理論從沒考慮過氕氕聚變,。但太陽已經(jīng)告訴我們,，4個氕核可以聚變成1個氦核，釋放的能量相當(dāng)驚人,。

那么,，可控核聚變什么時候能實現(xiàn)？

原子核帶正電,，兩個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,，就可以抵消這個排斥,，擰成一個核。

溫度的本質(zhì)是粒子的運動速度,，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,，實在密度不足的，就多維持一段時間,。

溫度、密度以及維持的時間,，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,，聚變才會持續(xù)下去，俗稱“聚變點火”。溫度,、密度,、持續(xù)時間三者乘積達(dá)到10的22次方，就可以滿足聚變點火的條件,。為了達(dá)到這個條件,，不能過分追求單項性能，而是要在三者之間找到一個最佳的平衡點,，比如氘氚聚變的理想溫度是在1億-2億攝氏度之間,。

有三個辦法,。第一，引力約束,，就是太陽燃燒的原理,，單純靠萬有引力硬生生把氫原子擰成氦原子。不過,，即便你把整個地球拆了做成聚變裝置,，引力也無法滿足勞遜判據(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,。

可問題是,，這樣一陣一陣，怎么做到持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電呢,？美國國家點火裝置（NIF）,，可在一瞬間將上兆焦耳的能量通過192束激光打在一粒芝麻上，自2010年正式點火后一路連刷紀(jì)錄,。此外,，法國兆焦耳（LMJ）、中國“神光”系列,、日本GEKKOXII也都不是等閑之輩,。

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

用磁場把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,，本來反應(yīng)很順利,，一點點擾動就瞬間“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)磁場分布像麻花一樣反應(yīng)效率最高,，在計算機(jī)上模擬順暢無比,，最后還得建個實物才能驗證到底行不行，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級別，兩者整整差了一兆倍,。直接面對聚變反應(yīng)的內(nèi)壁材料（有個形象的名字：第一壁材料）,，已超出了耐高溫的概念，簡直就是給太陽加外套,，時間一長,，任何原子都會被打飛。

第一壁材料,。

可控聚變的難點還有一大把：氚不斷減少,，得想辦法補充；氦不斷增加,，得想辦法排出；制造磁場的超導(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1億攝氏度,，中間只隔了幾步路。

若定個衡量指標(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,。劃分一下幾個關(guān)鍵點：

Q＞0，實現(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,，“實用化”突破標(biāo)志,；

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

聚變這攤子事實在太多，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”說起,。

可控聚變裝置類型。

托卡馬克的磁約束特征是,，縱向場線圈和極向場線圈分明,，縱向磁場完全由外部的線圈提供，極向磁場由線圈和等離子體電流產(chǎn)生,，兩個磁場共同約束等離子體,。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)于一個線圈,，還會產(chǎn)生磁場。不過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,。

托卡馬克原理示意圖,。

利用線圈和等離子體電流產(chǎn)生磁場，利用磁場約束氘氚,，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年開始不斷嘗試,，幾經(jīng)升級終于在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,。一時間各國紛紛跟進(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)。

托卡馬克結(jié)構(gòu)示意圖,。

1991年,，歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）實現(xiàn)了史上第一次氘氚反應(yīng)，持續(xù)了2秒,，Q值0.12,。1993年，美國的托卡馬克聚變測試反應(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（但因為是換算值，Q值基本不算數(shù)）,。

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

除此之外,，還有不少水平不錯的聚變裝置。法國的Tore-supra是世界上第一個真正實現(xiàn)高參數(shù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運行的裝置,，放電時間長達(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)時間都只有幾秒鐘。還有德國的ASDEX-U,、TEXTOR也實力不俗,，刷出不少紀(jì)錄。

很多工業(yè)強國都涉足聚變領(lǐng)域,，全球前前后后累計造了幾十個聚變堆,，卻發(fā)現(xiàn)可控核聚變在五十年內(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,。

ITER運行效果圖,。

作為僅次于國際空間站的全球第二大科研合作項目，ITER目標(biāo)定得相當(dāng)高：Q值超過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)鍵時刻中國出手了，這就是中國核聚變的故事,。

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

此后,，EAST開始全面刷紀(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,，先讓等離子體長時間保持1億℃以上,，不著急進(jìn)行聚變反應(yīng)。

在穩(wěn)態(tài)運行方面,，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℃維持1056秒,。2020年12月，規(guī)模更大,、參數(shù)更高的中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）在成都建成并實現(xiàn)首次放電,。

在托卡馬克硬件建設(shè)方面，中國很快就展示出了工業(yè)大國的實力,。ITER打算2025年實現(xiàn)點火,，很大一部分原因是中國承擔(dān)了大量核心關(guān)鍵部件的制造及安裝任務(wù)，包括校正場線圈、環(huán)向場線圈導(dǎo)體,、極向場線圈導(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多萬個部件，總重2.3萬噸（我們的EAST才400噸）,，全球35個主要工業(yè)國都有自己的任務(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，為即將投入試運行的ITER進(jìn)行鋪路實驗,。

無論EAST怎么刷紀(jì)錄,，依然無法改變托卡馬克的缺點：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，一起約束等離子體,。這樣的設(shè)計非常微妙,，一旦出現(xiàn)擾動瞬間就會放大，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰,。其實一開始大家就覺得托卡馬克很棘手,，所以蘇聯(lián)想出托卡馬克時，仿星器的設(shè)計也差不多同時間提出來,。

仿星器的思路是：所有的磁場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，磁場就能穩(wěn)定,，這樣就提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。

仿星器原理示意圖。

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

早期計算機(jī)的模擬能力差,，線圈加工難度也很大,，線圈最終產(chǎn)生什么樣的磁場全靠緣分，所以仿星器一開始就不熱門,。歐洲各國,、美國、日本都做過仿星器,，后來蘇聯(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,，超級計算機(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再度出手，世界上最大的仿星器文德爾施泰因（Wendelstein）7-X于2015年實現(xiàn)點火,。

文德爾施泰因7-X別致的造型,。

磁約束還有第三條路：反場箍縮。大致原理是縱向磁場由外部線圈產(chǎn)生,，極向磁場則完全由等離子體電流產(chǎn)生,。不過，目前來看這路子也不好走,，美國做了快20年反場箍縮,，約束時間還停留在毫秒級（托卡馬克已經(jīng)幾百秒了），中國的“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）說過一句至理名言：“當(dāng)整個社會都需要的時候,，聚變就會實現(xiàn)?！笨煽睾司圩冸m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發(fā)展很多年,，聚變確實不算是現(xiàn)在最緊迫的事情,。

ITER計劃準(zhǔn)備于2025年實現(xiàn)點火，2035年開始氘氚反應(yīng)實驗,，即便一切順利,，ITER也只是一個實驗聚變堆，無法發(fā)電。想要發(fā)電還得重新建一個商業(yè)聚變堆,，時間就不好說了,。

中國首臺反場箍縮磁約束聚變實驗裝置（KTX）“科大一環(huán)”結(jié)構(gòu)示意圖。

好在,，2017年,，中國聚變工程實驗堆項目（CFETR）正式啟動，計劃2035年建成聚變工程實驗堆,，2050年建成聚變商業(yè)示范堆,，實現(xiàn)聚變發(fā)電。

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