四代科研工作者、12萬多次實驗、10余次創(chuàng)造世界紀錄……中國有“人造太陽”之稱的全超導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秒的新世界紀錄。

此前的高約束模式運行世界紀錄，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)科學研究院對全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）進行升級改造。

恒星能量主要來自氫核聚變。當人們認識到，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，習慣叫“氫”，氘（D）帶一個中子，氚（T）帶兩個中子，都比氕重，反應截面大，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，通常利用反應堆的中子轟擊鋰-6化合物獲得，相當貴。

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，聚變條件非常苛刻，現(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)時間三者乘積達到10的22次方，就可以滿足聚變點火的條件。為了達到這個條件，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，還有非常復雜的電磁相互作用。而聚變等離子體是流體力學、電磁作用、極端條件的疊加，其行為難以預測，本來反應很順利，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。好不容易把反應模型算好了，比如你發(fā)現(xiàn)磁場分布像麻花一樣反應效率最高，在計算機上模擬順暢無比，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材料。

*第一壁材料

聚變反應產(chǎn)生的中子能量高達14MeV，而原子之間的化學鍵能量只有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，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，燒鍋爐的汽輪機熱電效率在40%-70%，再算一些損耗，暫且認為Q=2.5是成本。商業(yè)應用一般認為要Q>30才行。劃分一下幾個關(guān)鍵點：

Q＞0，實現(xiàn)聚變反應，原理性突破標志；

Q＞1，輸出能量大于輸入能量，“盈虧平衡”突破標志；

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，可以利用歐姆效應加熱，也就是用感應電流給等離子體通電，而且通電后的等離子體相當于一個線圈，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，進入20世紀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，準備上真正的氘氚反應。

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，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成功進行了氘氘反應，換算回氘氚反應的Q值相當于1.25（但因為是換算值，Q值基本不算數(shù)）。

當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；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)準穩(wěn)態(tài)運行的裝置，放電時間長達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目標定得相當高：Q值超過10，輸出能量功率500兆瓦，與當前核電站的功率相當。但是，進度幾年幾年往后延，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）。

此后，EAST開始全面刷紀錄，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，不著急進行聚變反應。

在穩(wěn)態(tài)運行方面，EAST屢屢創(chuàng)下世界紀錄，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了大量核心關(guān)鍵部件的制造及安裝任務，包括校正場線圈、環(huán)向場線圈導體、極向場線圈導體、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。

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

無論EAST怎么刷紀錄，依然無法改變托卡馬克的缺點：太復雜。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，進而導致線圈也設(shè)計得很奇特。

早期計算機的模擬能力差，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，超級計算機的性能發(fā)展，仿星器又重出江湖。于是，當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)物理學家列夫·阿爾齊莫維奇（Lev Artsimovich）說過一句至理名言：“當整個社會都需要的時候，聚變就會實現(xiàn)。”可控核聚變雖然困難重重，但不可否認，當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計劃準備于2025年實現(xiàn)點火，2035年開始氘氚反應實驗，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反應時那么絕望，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。