“人造太陽”即將升起

李忠東

太陽的光和熱來自太陽的核聚變，氫原子核在太陽的核心處碰撞，融合成更重的氦原子，并釋放出大量能量，成為太陽的能量來源，也是維持地球生命的能量來源。

據科學家測算，太陽每秒鐘釋放的能量相當于900億個當量在百萬噸級核彈爆炸所釋放的能量，地球能夠接收到的太陽發出的能量，占比僅僅達到二十二億分之一。可就是這么一點看似不起眼的比例，為地球維持相對穩定的溫度、生命體的誕生和生物的發展演化提供了充足的保障。在構成太陽的物質中，氫元素和氦元素占太陽總質量的98.2%（其中以氫元素為主，占71%左右），氧、碳、鐵、氖、氮、硅、鎂等元素組成剩下不到2%的質量。太陽之所以能將氫的同位素氘和氚聚合成氦，釋放出取之不竭的熱核聚變能源，在于它內部有1.5億°C以上的高溫和3000億個大氣壓的超高氣壓。

隨著全球人口增長和經濟發展，能源需求將持續增長，尋找未來能源成為當務之急。2020年12月4日，新一代“人造太陽”裝置——中國環流器二號M裝置（HL-2M）在成都建成并實現首次放電，這意味著中國再度加快了在未來能源探索方面的步伐。

人類未來能源的希望

地球化石燃料有限、不可再生，而且有污染;風能和水能不穩定;人類核電站所用的核裂變原料有限，還核廢料有放射性污染。而可控核聚變不排放有害氣體，有利于解決當前的環境污染問題。核聚變的原料是氫的同位素（氘和氚），地球上含量極為豐富。氘在海水中儲量極大，1升海水里提取出的氘，在完全聚變反應后，可釋放相當于燃燒300升汽油的能量。科學家提出，既然太陽的能量來自其內部的核聚變反應，那么人類也可以模擬太陽產生能量的原理，研發人為可控核聚變技術制造“太陽”。

從核裂變到核聚變，從不可控到可控，雖然僅一字之差，但技術難度的差別太大了。科學家發現，在實驗室環境下，最有效的聚變反應是氘和氚之間的反應，能在所謂“最低的溫度”下產生最高的能量增益。要進行核聚變反應，首先必須提高物質的溫度，使原子核和電子分開，處于這種狀態的物質稱為等離子體。但是，都帶正電的原子核之間會互相排斥，很難接近彼此。想要發生核聚變，必須保證等離子體的溫度（增加發生碰撞的可能性）、密度和封閉時間（等離子體很快就會飛散開來，所以必須先將其封閉）。

在太陽里，可以利用巨大的引力使等離子體封閉。那么，在實驗室中怎么辦呢？一種方法便是利用磁場。當等離子體帶電時，電荷被卷在磁力線上。只要制造出磁場，就能夠將等離子體封閉，使它們懸浮在真空中。20世紀50年代，科學家首次提出托卡馬克的概念。托卡馬克是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器，中央設計成一個環形真空，外面圍繞著線圈，氘和氚被注入托卡馬克。通電時，托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋形磁場，加熱直到它們變成等離子體。當等離子體達到1.5億攝氏度時，即發生聚變。原子聚變產生的能量以熱的形式被容器壁吸收，就像傳統的發電廠一樣，聚變發電廠將利用這些熱量產生蒸汽，然后通過渦輪和發電機發電。

中國環流器二號M裝置實現首次發電

我國20世紀50年代著手可控聚變研究，目前一直處在國際先進水平，在全球民用核聚變技術方面走在世界最前列。1970年開始自主設計、研發投建第一座“人造太陽”實驗裝置——“中國環流器一號”，直至1984年建成。在“中國環流器一號”的基礎上，經過重新改建，1994年“中國環流器新一號”竣工建成。2002年又建成了第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置——“中國環流器二號A”（HL-2A）。在前三座裝置的基礎積累下，“中國環流器二號M”（HL-2M）成功改造升級，成為我國規模最大、參數最高的先進磁約束托卡馬克裝置。中國環流器二號M裝置（HL-2M）是我國自主設計建造，采用了先進的結構和控制方式，具有先進的偏濾器位形的優勢。它的體積是目前國內現有裝置的兩倍以上，等離子體電流的能力可以提高到2.5兆安培，等離子體離子的溫度可以達到1.5億°C，相當于太陽核心溫度的10倍。

在中國環流器二號M裝置（HL-2M）的建設過程中，核工業西南物理研究院聯合國內多家研制單位，在裝置物理與結構設計、特殊材料研制、材料連接與關鍵部件研發、總裝集成等方面取得了多項突破，實現了可拆卸線圈結構，增強了控制運行水平，提升了裝置的物理實驗研究能力;攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關鍵技術;掌握了具有國際先進水平的異形銅合金厚板材制造成型工藝，實現了高強度膨脹螺栓組件的自主國產化;研制成功具有國際先進水平的國內首臺大型立軸脈沖發電機組。以中國環流器二號M裝置（HL-2M）建設為牽引，西物院掌握的特種材料、關鍵設備、極端條件精密制造等關鍵技術，已形成“同步輻射”效應，在航空、航天、電子等前沿領域實現創新應用。

核聚變實驗的世界主流是強磁場約束托卡馬克聚變，“東方超環”（EAST）是我國第四代核聚變實驗裝置，也是全球首個非圓截面全超導托卡馬克聚變裝置。作為國際熱核聚變實驗堆（ITER）的前沿實驗基地，EAST控制大廳的很多參數是共享的，吸引著來自各國的科學家。他們圍繞高參數長脈沖等離子體相關科學技術問題進行很多國際聯合實驗，獲得了一系列新成果和大量的科學實驗數據，為未來更高參數的長脈沖物理實驗奠定了很好的科學技術基礎。

2017年12月5日，由中國自主設計和研制并聯合國際合作的重大科學工程——中國聚變工程實驗堆（CFETR）正式啟動。CFETR計劃分三步走：第一階段到2021年，開始立項建設;第二階段到2035年，計劃建成聚變工程實驗堆，開始大規模科學實驗;第三階段到2050年，聚變工程實驗堆實驗成功，建設聚變商業示范堆，完成人類終極能源。CFETR對解決能源危機問題具有重要意義，將推動我國跨入世界聚變能研究開發先進行列，成為參與全球科技競爭與合作的重要力量。我們對未來充滿信心，第一個點亮核聚變之光的一定是中國。

攜手播種“太陽”

雖然世界上已經有數百個托卡馬克被建造出來了，但要利用托卡馬克裝置實現對熱核聚變的控制，在關鍵技術上仍存在很大挑戰，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年提出的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，旨在為大規模核聚變進行概念驗證，包括驗證核反應堆級別的裝置主機集成技術、驗證裝置的穩定運行能力、實現聚變反應的輸出功率至少10倍于輸入功率和演示50萬千瓦聚變反應功率的可靠運行。

ITER是第一個實現“燃燒”或自加熱等離子體的項目，遠遠超過以往的嘗試，將成為世界上最大的，也是第一個真正意義上的“人造太陽”。在法國南部建造的這個能產生大規模核聚變反應的超導托卡馬克裝置，驗證如何將足夠多的燃料在極端高溫條件下約束足夠長的時間，使它受控制地發生核聚變反應。整套裝置高30米，直徑28米，重達2.3萬噸，包含數百萬個零件，其中超導磁體重近3000噸，由超導電纜連接。ITER將歷時35年，其中建造階段10年、運行和開發利用階段20年、去活化階段5年。

我國在發展可控聚變技術的同時，也注重加強國際合作，2003年正式加入ITER計劃。作為ITER計劃7個合作方（中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度）之一，我國承擔了其中約9%的科研建設任務，同時享有5%以上的職員配比。隨著ITER計劃的推進和我國科技實力的增強，這一比例在不斷上升。無論是在執行進度還是在完成質量方面，均處于其他合作方的前列，且創造了多項技術第一。2020年6月，由中科院合肥研究院等離子體所自主研制的極向場6號超導線圈運抵ITER總裝現場。該線圈總重超400噸，是實驗堆主機最重要的構件之一，也是目前國際上質量最大、研制難度最高的超導磁體。中國以快速的工程反應和科研進步，成為各合作方中兌現國際承諾的典范。

2020年7月28日，ITER在法國南部卡達拉舍舉行安裝啟動儀式，開始了為期5年的組裝階段，標志著這個人類歷史上最大的核聚變項目進入新的階段。組裝過程完成后，該設施將模擬太陽產生能量的核聚變過程，開始產生聚變能量所需的超熱等離子體。第一個超熱等離子體預計將在2025年底產生，不過這一項目仍存在一些技術挑戰。

2020年8月31日，ITER托卡馬克裝置杜瓦下部筒體吊裝工作圓滿完成，拉開了國際熱核聚變實驗堆主設備安裝序幕。杜瓦下部筒體直徑30米，高10米，重約400噸，尺寸大約占ITER托卡馬克裝置的1/3。作為ITER計劃工程安裝啟動儀式后的第一個重大部件安裝，精度和形變控制要求極高。中國核工業集團有限公司牽頭的中法聯合體技術團隊承擔了此次吊裝，技術人員反復進行計算確認，對吊具的尺寸、現場吊裝路徑以及用于就位調整的工具進行反復模擬，在理論上確保了吊裝安裝工作的安全。在正式吊裝前，還多次組織吊裝方案推演并進行吊裝試驗，確保調整工具和支撐工具狀態安全可用。

“我有一個美麗的愿望，長大以后能播種太陽......到那個時候，世界每一個角落，都會變得，都會變得溫暖又明亮......”如果“人造太陽”商業聚變得以實現，那么這一代人很可能在有生之年看到能源的徹底革命，我們拭目以待吧！