新一代人造太陽為長距離太空旅行帶來新希望

文/蘭順正

2023 年8 月25 日，新一代人造太陽“中國環流三號”取得重大科研進展，首次實現100 萬安培等離子體電流下的高約束模式運行，再次刷新中國磁約束聚變裝置運行紀錄，此次成功不但是中國核聚變能開發進程中的重要里程碑，對于人類長距離太空旅行也有著不小的意義。

太空旅行的理想動力源

自核能被發現之日起，就一直被視為是航天器最為適合的“心臟”，可以幫助人類遨游星海。現在的太空核動力技術主要包括放射性同位素電源、核反應堆電源及核推進技術。放射性同位素電源功率小，通常在幾十瓦到數百瓦之間，可為執行太空探索任務的航天器及其科學設備長期提供電能和熱能。核反應堆電源功率較大，可提供千瓦級電力，適合于功率需求較大的太空探索任務和航天器。

而核推進分為核熱推進和核電推進。其中核熱推進（即核火箭發動機）利用核反應堆產生的熱能把工作介質（推進劑）加熱到很高的溫度，然后將高溫高壓的工作介質從噴管高速噴出，從而產生巨大的推力。核電推進（即核電火箭發動機）則是把核反應堆的熱能轉換成電能并把電能提供給電火箭，使推進工質（如氙）電離并加速，最后成為等離子體狀態的推進工質從噴管高速噴出，產生可達“牛頓”量級的較大推力。

核反應堆是長距離核動力太空旅行的關鍵。目前，可控核裂變反應堆技術條件成熟，已經大規模商業化，其原理是由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成2 個或多個質量較小的原子，并在這個過程中釋放出巨大能量。核裂變反應堆的優點是反應條件較低，比較容易實現，缺點是反應后的核廢料放射性極強并難以處理，安全事故的后果很嚴重等。

▲ 我國的嫦娥四號月球探測器就裝有放射性同位素電池

▲ 俄羅斯正在研制的“宙斯號”核動力太空拖船

▲ 在環流器中進行核聚變示意圖

而核聚變反應是將2 個小質量的原子聚合成一個較大的原子，釋放出巨大能量，太陽的能量也是源于此。核聚變產生的能量是核裂變的3～4倍，其反應原料就是氫的同位元素氘和氚，這兩種元素在海水里面就有很大的存量，可以說是取之不盡、用之不竭。同時核聚變反應不排放碳，也不會產生任何長期放射性廢物，對環境很友好。而且核聚變更加安全，因為一旦發生故障，反應就會自行熄滅，所以是人類未來的理想能源，也是今后大型長距離飛行航天器的首選“引擎”。

漫長卻可期的“人造太陽”

不過，雖然核聚變的優勢十分突出，但發生過程卻極為困難。由于原子核的結構很堅固，想讓兩個原子結合就必須突破原子核結構的屏障，因此需要用特別高的速度進行碰撞，而產生高速的條件就是需要高溫。以太陽為例，它之所以開啟核聚變是因為其質量大、引力強，強大的引力進而導致壓力大，壓力大則產生了高溫。但地球上并不具備這樣的環境，所以就需要人工升溫，并且這個溫度值至少要1 億度以上。而要讓核聚變更好地造福人類，必須讓其聚變過程變得可控（氫彈就是典型的不可控核聚變），降低劇烈程度，達到能量的逐步可持續釋放。

▲ 1984 年建成的中國第一座人造太陽裝置“中國環流一號”

研究表明，核聚變的反應物在極高溫下會完全電離，變為一團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，才能實現持續的核聚變反應。而約束這些等離子體有3 種方式，太陽的核聚變是靠重力約束實現的，另外兩種就是以高功率激光作為驅動器的慣性約束和磁約束。

▲ 一名技術人員在美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置的前置放大器支持結構內

其中，激光慣性約束核聚變使用極其強大的激光器來產生核聚變，即使用激光以高速率壓縮和加熱含有氫和氚的燃料顆粒，從而產生聚變，猶如用激光引爆一顆顆微型氫彈。如在過去幾十年，美國一直嘗試用高能激光轟擊核聚變材料，借助激光產生的高溫高壓實現核聚變。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，產生了3.15 兆焦的能量，能量增益首次大于1，達到了“點火”標準。

磁約束核聚變則讓核聚變產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，這種磁場可以把炙熱的等離子體托舉在空中。20 世紀50 年代，蘇聯科學家提出一種名為“托卡馬克”的環形磁約束聚變裝置，這是一種形如面包圈的環流器，依靠等離子體電流和環形線圈產生的強磁場，將極高溫等離子狀態的聚變物質約束在環形容器內，以此實現核聚變反應。

而可控核聚變同樣是中國核能發展“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰略體系的重要組成部分，是解決國家能源需求、助推“雙碳”目標實現、促進能源新體系構建和保障國家能源安全的關鍵科技變量。

據悉，此次運行的是磁約束核聚變中的高約束模式，這是一種典型的先進運行模式，被選為正在建造的國際熱核聚變試驗堆（ITER）的標準運行模式，能夠有效提升等離子體整體約束性能，提高未來聚變堆的經濟性，相較于普通的運行模式，其等離子體綜合參數可升高數倍。

同時，此次實驗還突破了等離子體大電流高約束模式運行控制、高功率加熱系統注入耦合、先進偏濾器位形控制等關鍵技術難題，標志著中國磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運行邁出重要一步。報道指出，未來在此基礎上，新一代人造太陽“中國環流三號”團隊，將進一步發展高功率加熱和電流驅動、等離子體先進運行控制等核心技術，實現堆芯級等離子體運行，研究前沿聚變物理，為中國開展聚變燃燒實驗、自主建造聚變堆奠定堅實基礎。

雖然現在距離可控核聚變實用還有很長的路要走，但是中國此次所取得的成果無疑讓全世界都看到了未來的希望。而可控核聚變技術的進步不但可以幫助人類擺脫能源危機，也必將在人類探索宇宙方面發揮巨大的作用。

▲ “托卡馬克”裝置

▲ 建設中的國際熱核聚變試驗堆

▲ “中國環流三號”100 萬安培等離子體運行實拍畫面