中国“人造太阳”晋级新段位

　　位于我国安徽合肥的紧凑型聚变能实验装置（BEST）项目建设近日取得关键突破，引发广泛关注。“杜瓦底座”研制成功并精准落位安装，标志着该项目主体工程建设步入新阶段，也意味着我们离“人造太阳”的梦想又近了一步。

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　　聚变是太阳发光发热的核反应原理，而“人造太阳”是模拟这一过程的聚变装置。科学家认为，聚变发电因具有清洁、无限的特点，是人类追求的终极能源。目前，国际上多个科研项目正在攻关相关技术。那么，我国的BEST项目有何领先之处？它对于实现“人造太阳”有何助益？发展聚变能将怎样重塑地球的能源未来？

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我国紧凑型聚变能实验装置（BEST）项目建设现场航拍图

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　　此次新闻中提到的杜瓦底座结构直径约18米，高约5米，重400余吨，是紧凑型聚变能实验装置主机系统中最重的部件，也是国内聚变领域最大的真空部件。杜瓦底座相当于装置的“地基”，未来将承载整个主机6000余吨设备的重量和绝热功能。它落位安装完毕后，主机核心部件也将陆续进场安装。

　　那么，科学家关注的聚变究竟是什么？与常见的化学反应截然不同，聚变是原子核级别的反应，两颗较轻的原子核结合到一起，会生成一颗较重的原子核。化学反应只涉及原子的外层电子，触碰不到原子核，而聚变反应改变的是原子核本身。以太阳为例，它的中心时刻在发生氢核聚变为氦核的反应，氢逐渐减少，氦不断增加，从化学的角度来看，这个反应式是配不平的。

　　当谈到核反应时，人们的第一印象往往是排山倒海的能量。这个能量来自原子核内核子（包括质子与中子）的结合能，由四大基本相互作用（强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用）中的强相互作用驱动，强度远超化学反应涉及的电磁相互作用。这个能量究竟有多强呢？在原子核尺度的1飞米（千万亿分之一米）距离上，两个质子相互吸引的核力（强相互作用在核子外的剩余力）比它们相互排斥的电磁力强约100倍。因此，若想把氦核掰成4个核子，就要施加远超化学反应的巨大能量才能做到。反过来想，4个核子合并为氦核，则会释放出同等巨大的能量。这个能量用爱因斯坦著名的质能方程E=mc2（能量=质量乘以光速平方）换算后，足以察觉质量亏损。举个例子，让1000克氢全部聚变，最后得到的氦只有993克左右，丢失的7克，实际上是以630万亿焦耳的能量形式释放出来了。若把这个能量用于整个北京地区的城乡居民生活用电，基本上可以支撑两天。

　　另有一种核反应与聚变的方向相反，它是由较重的原子核分裂为若干颗较轻的原子核，物理上称之为裂变。如果裂变产物中有2个或以上的粒子能撞到其他原子核，引起更多新的裂变，那么核反应还会以指数形式急剧增长，触发“链式反应”。裂变的典型例子就是原子弹与核电站。

　　无论是聚变还是裂变，均能找到实例：宇宙中，包括太阳在内的所有恒星，每一颗都是硕大无朋的天然聚变反应堆；地球上，科学家在非洲加蓬的奥克洛铀矿区发现，那里曾在17亿年前自然沉积出一个天然裂变反应堆，以平均100千瓦的功率断断续续运行了几十万年。

　　实现人工聚变难在哪儿

　　人们对聚变的认识始于1920年英国科学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿对太阳发光发热原理的猜想，那时的科学界尚未摸清原子核结构，甚至还没有发现中子。相比而言，虽然科学家直到1938年才发现裂变现象，但对裂变的应用比聚变发展得快多了。究其原因，是人工聚变的难度太高。

　　难在哪里呢？难在原子核都带正电荷。要想把两个原子核合并到一起，就得克服它们之间的电磁斥力。人们可能会问：前面不是说，相互吸引的核力远比相互排斥的电磁力强大吗？是的，然而核力有个致命弱点，就是它会随着距离增大而迅速衰减。在1飞米距离上，质子之间的核力比电磁力强约100倍，但到了1.7飞米，电磁力就开始占上风了。也就是说，两颗相向而行的原子核，还没飞到核力的“地盘”，就已经被电磁斥力推开了。

　　怎么办？一方面，要提高温度，让原子核运动得快起来。只有跑得足够快，它们才能突破电磁斥力的藩篱，冲进核力的作用范围，与其他原子核合体。例如氢弹的聚变阶段，就是通过引爆一颗原子弹产生的几千万摄氏度高温启动的；太阳核心有1500万摄氏度，勉强能够点燃非常低效的聚变反应，可供燃烧上百亿年。

　　另一方面，要选择比较容易发生聚变的原子核，用行话来说，就是找“反应截面较大”、对温度要求不是那么高的原子核。目前所知的最佳原料是氢的两种同位素：氘和氚（质子数都是1，氘核有1个中子，氚核有2个中子）。二者可在5000万到2亿摄氏度大量聚变，生成1个氦核、1个中子与17.6兆电子伏的能量。

　　当我们提高温度至上亿摄氏度，不但物质会完全气化，电子与原子核也会“分家”，进入等离子状态。此时，需要把这团等离子体约束住，让它达到较高的密度，不然即使温度上去了，如果原子核互相见不到面，聚变也不会发生。同时，还要有足够长的能量约束时间，否则热量耗散太快，聚变仍然无法发生或持续。

　　在聚变能开发领域，n（密度）、T（温度）、τ（能量约束时间）是最关键的3个参数，三者的乘积决定了聚变反应能否自持进行下去，或者说，能否“盈利”，让聚变反应的能量输出超过制造聚变的能量输入。

　　谈到能量约束，目前已知有3种约束高温等离子体的方法：重力约束、惯性约束与磁约束。太阳用的就是重力约束，它巨大的重力把聚变燃料死死地封锁在自己身体里，中心密度可达黄金的7倍多。惯性约束是用多束强激光同时照射氘氚混合物的靶丸，瞬间产生高温，而原子因为惯性来不及跑掉，只好就地发生聚变。磁约束则是利用带电粒子横穿磁场时会发生偏转的原理（洛伦兹力），把等离子体约束在一个强磁场编就的“笼子”中。

　　在这3种方法中，重力约束无法在小小的地球上实现，惯性约束只能一发一发地打靶，难以连续产能，目前更有发展前景的是磁约束。磁约束设备主要包括托卡马克、仿星器、磁镜和箍缩装置等，其中托卡马克发展得最为成熟，此次引发关注的中国紧凑型聚变能实验装置就是一座托卡马克。

　　大型全超导为何成优选

　　托卡马克（TOKAMAK）被科学家当作人造太阳的实验装置之一，承载着人类迈向能源自由的梦想。世界上第一台托卡马克于20世纪50年代诞生于苏联。所以，“托卡马克”其实是一个俄文缩写的音译词，包含最关键的4个要素：环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka），中文也可译为“环形磁约束聚变装置”。

　　从这4个要素便可理解托卡马克的功能。环形是通过让有限的物质在有限的空间里源源不断地流动，达到约束的目的；真空是为了提供等离子体流动及聚变反应的环境，并避免高温物质直接接触室壁；磁是引导等离子体流动的手段；线圈是使用电流产生磁场的设备。综合起来看，托卡马克的核心目标是通过电流产生磁场，在环形真空室的腔体中心把一圈流动的高温等离子体约束起来。

　　具象化理解就是：一座托卡马克的核心部分就像是平放在地上的一个游泳圈，高温等离子体沿着“游泳圈”的腔体中心流动。为了实现稳定约束，等离子体的运动路径并不是单调画圆，而是像螺旋手环那样一边前进一边扭转，不断地从里圈绕到外圈，再从外圈绕回里圈，形成螺旋扭转的“磁面”。营造这样的磁场环境需要3组电磁线圈：一是包围着“游泳圈”截面的若干纵场线圈，它们产生沿腔体方向的环向强磁场，是约束高温等离子体最主要的磁场分量；二是立在“游泳圈”中央的中心螺管，用于感应产生和维持等离子体电流；三是围在“游泳圈”外的极向场线圈，用于等离子体平衡控制。

　　我国建设的托卡马克——紧凑型聚变能实验装置极其庞大，仅杜瓦底座就重400余吨。之所以要做这么大，主要有以下几个原因：一是大设备可以建立更强大的磁场约束，也允许容纳更高的等离子体电流，从而提高聚变反应的原子核碰撞几率和总功率输出；二是可以更好地抑制不稳定性扰动，显著延长约束时间；三是可以降低高温等离子体的表面积-体积比，使能量尽可能留在等离子体内部，延长能量约束时间；四是更利于集成大功率的周边系统和维护设备，也更接近实用化的聚变能输出，为未来的工程化奠定基础。

　　这次安装的杜瓦底座在整个紧凑型聚变能实验装置中发挥的作用是，提供绝热功能，把上亿摄氏度的高温等离子体及室温操作区与运行在-269℃环境中的超导线圈隔离开来。

　　使用超导线圈是因为托卡马克需要建立强大的磁场。常规导体制成的线圈存在电阻，通过大电流时会剧烈发热，无法长时间持续运行，能够产生的磁场强度也相当有限，难以满足高温等离子体的约束需求。为了避免线圈烧掉，早期的托卡马克只敢运行几秒钟，还要使用脉冲电流。而超导材料在极低温下的电阻为零，长时间通过百万安培级的大电流也不会发热，并且能够产生极强的磁场，大大提高了约束性能。

　　我国作为概念验证的HT-7超导托卡马克曾在2008年创下400秒的运行纪录，之后的“东方超环”（EAST，其中S是“超导”的英文缩写）更是在2025年1月达到1066秒。

　　聚变能将实现能源可持续

　　目前，全世界的科技大国都在费尽心力发展人工聚变，究其原因，有能源与环境两方面的考量。

　　世界上的能源供给现以化石燃料（天然气、石油、煤、木材）为主，因为化石燃料最容易获取。但是，使用化石燃料会将二氧化碳排放到大气中，造成温室效应，所以这个能源结构很不合理。不到200年时间里，人类活动已经使大气中温室气体浓度相比工业化之前增长了50%。随着世界人口不断增加以及生活质量的飞速提高，人类对能源的需求量会增长得越来越快。如果维持旧的能源结构，不但会使地球环境加剧恶化，还会使有限的化石燃料资源日益枯竭。

　　因此，科学家积极开发利用清洁可再生能源，如水能、风能、太阳能等，还发现了效率更高的核能，其中裂变反应已被娴熟掌握。但由于可再生能源受气候影响较大，而裂变的原料矿藏十分有限且裂变废料半衰期太长，对环境有害，能源危机并未得到解决。比起化石燃料与裂变能源，聚变的产能效率极高，2千克氘加上3千克氚聚变产生的能量，抵得上300千克铀裂变或燃烧1.3万吨石油。而且，聚变产物是无毒无放射性的氦，非常清洁。从聚变所需的原料来看，氘在海水中的储量极为丰富，氚则可以通过中子轰击锂获得，在地球上（特别是海洋中）的储量也很大。因此，基于氘氚聚变的核能是安全、高效、清洁的理想新能源。

　　从上世纪50年代至今，人类对聚变能的开发已经探索了70余年，而我国从上世纪90年代起，历经基础研究、技术突破、工程化推进与商业化探索等阶段，逐步实现了从“跟跑”到“领跑”的历史跨越。2006年首次运行的“东方超环”作为我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克，为我国参与合作的国际热核聚变试验堆（ITER）及今后更多的聚变能开发计划，提供了坚实的技术先导与验证平台。

　　根据计划，我国的紧凑型聚变能实验装置将于2027年底建成，届时，对于我国率先开展前沿聚变科学研究、验证未来聚变堆关键技术、持续引领国际聚变能发展具有重大战略意义。作为聚变能研究的重要方向，氘氚聚变在世界范围内仍处于实验室阶段，科学家的目标是实现商业化应用，以期有一日能够支撑人类长期的能源需求与可持续发展。（作者 曲炯）