4月12日21时，有中国“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST,中文名“东方超环”)创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。为什么403秒会成为一个里程碑?“人造太阳”所要实现的可控核聚变，对人类社会意味着什么?我们距离这一终极能源梦想还有多远?让我们走近一群“种太阳”的人。

       在电影《流浪地球2》中，有一种帮助地球远航的行星发动机，它所用的能量就来自可控核聚变。现实中，虽然像电影中那样的重核元素可控核聚变还难以实现，但是对于氢的可控核聚变研究，人类已经走过了半个多世纪的征程。

在实现可控核聚变的方案中，磁约束被认为是最适合解决能源问题的途径。利用磁约束实现可控核聚变的装置叫做“托卡马克”，因为酷似太阳燃烧的机制，也因为被寄托了未来能源的美好愿景，人们更愿意将托卡马克称为“人造太阳”。

      未来的终极能源为何是它?

      零排放、可无限利用、永远安全

      人类的发展史一直伴随着能源的消耗，但我们对能源消耗的速度并不是恒定的。过去一两百年，世界人口急剧增加，人类的能源消费急剧增长。现在，地球上70多亿人口主要还是依赖石油、煤等化石能源。

     未来，人类需要继续发展，能源消耗还将更大，地球现有的化石能源将会很快消耗殆尽。这个时间窗口，只有100年到300年的时间。当化石能源耗尽之后，我们要去哪里寻找稳定的能量来源?

     爱因斯坦的质能方程E=mc2告诉我们，哪怕只有一点点质量，只要引发原子核级别的反应，瞬间就能释放出巨大能量。因为尽管质量只有一克，但乘以光速的平方，能量就非常巨大。这就是太阳可以稳定燃烧几十亿年的原理，也是浩瀚宇宙中大部分恒星发光发热的原因。

     说起核反应能，分为核聚变与核裂变。目前，世界上有400多座核电站都使用核裂变产生的能量发电。这些核电站所用的原料是铀，仅需一克就能产生相当于1.8吨石油燃烧产生的能量;如果用氘-氚的话，一克所产生的能量相当于8吨石油。

目前，全世界的裂变核电站为人类提供了大于10%的电力，但它有两个重大缺陷：其一，地球上的铀、钍、钚，储量都不多，即使全部利用，千年左右就会用完;其二，核裂变时产生的各种射线会对人体产生伤害，放射性物质会对周围环境造成放射性污染，比如美国三里岛事故、日本福冈事故，以及切尔诺贝利核电站事故。尽管这些事故概率非常低，约100万年才会发生一次，但阴影总是存在，所以裂变电站都建在远离人群的地方。

      核聚变则具有固有安全性，即永远都是安全的。根据核聚变的原理，首先是要把氢的同位素氘和氚加热到上亿度，这要保持住非常难，但要停下来很容易。而它的产物只有氦气和中子——氦气本来就是干净的，而中子我们用水就可以将其吸收，其能量会让水变成蒸气，用来发电。所以，核聚变设施不释放二氧化碳，也没有长寿命放射性元素，可以建在城市中心。

核聚变的另一个优势是资源无限。一升海水可以提取0.03克氘，释放的能量高于340升汽油燃烧产生的能量，全世界海水里有40万吨氘——可供人类使用100亿年，比太阳和地球的寿命都长。而且，核聚变电站对资源的消耗非常低，功率密度又很高。一个聚变电站一年只需要用150公斤的重水和150公斤的锂，而一个100万千瓦的煤电站一年要烧200万吨煤，一个裂变电站一年需要30吨铀。

所以，国际能源署在上个世纪组织3000名科学家讨论了3年，最终得出结论，人类未来的终极能源将由核聚变和可再生能源构成——核聚变将为我们提供绿色的、没有任何排放的、安全的、可以无限利用的能源。

     可控核聚变为什么这么难?

     它无处不在挑战人类科技极限

     既然核聚变这么有优势，为什么不早点把它研发出来?原因在于，要实现可控核聚变，必须跨越非常高的门槛，条件非常苛刻。

1958年，英国牛津大学一位刚毕业的博士劳逊，用了两年时间给出了“劳逊判据”：核聚变实现点火，必须要满足“粒子密度n、温度T、约束时间τE，三者乘积大于1021”。即温度要达到上亿摄氏度、约束时间至少要大于一秒，还要有足够多的粒子。当时，人类能达到的最好成绩是1011，理想和现实的巨大差距让劳逊博士知难而退，但全世界其它科学家仍在孜孜不倦地追求着，一直朝着这个目标努力了65年。

     去年，美国科学家激光点火成功，这成为人类科学史上一个重大事件。他们在相当于三个足球场这么大的空间里，用192路激光，在不到10纳秒的时间内，打到只有胡椒粒大小的靶丸上，实现了可控核聚变点火。美国能源部表示，这是他们在70年科学历程中“最伟大的突破之一”。 实现可控核聚变的另一大难题是约束聚变粒子。我们最常见的聚变体是太阳，因为它的质量特别大，靠万有引力就可以把所有的带电离子约束住，约束时间远远大于一秒，所以它在1500万℃就可以发生聚变。 还有什么约束办法吗?因为聚变需要上亿度高温，不能用任何容器盛装，所以人类想到用强磁场把带电粒子悬浮起来，即磁约束。

     我们知道，当温度足够高时，电子会飞离原子核，这就是等离子体。如果加上磁场，所有带电粒子都会围绕磁力线运动——有了磁场，粒子就被约束住了，磁场越强，约束力就越强。于是，苏联科学家由此发明了托卡马克——它就像一个“容器”，里面的磁场强度相当于地球磁场的一万倍，能让粒子在其中悬浮、旋转。

     其实，科幻电影《钢铁侠》里就出现过托卡马克，那是一个磁笼子，这种马达只需一千克气体就能在宇宙里飞行许多年。此外，《流浪地球》中提到用一万个重核聚变发动机推着地球去另一个星球，用的也是托卡马克装置。现实中，我国很早就开始着手研制托卡马克。1958年，苏联在一次国际大会上公布托卡马克的原理后，我国就在四川乐山建立了国内最大的磁约束聚变基地——中国核工业西南物理研究院。项目最早由李正武院士提出，潘垣院士作为当时的总工程师负责实施。这个中国最早的磁约束聚变基地就在距离乐山大佛2.6千米的地方，如今的博物馆里存放了很多老一辈科学家当时做出来的实验装置。

     在安徽合肥科学岛上，从1973年开始，中国科学院也同时开展了托卡马克的研究。1989年，苏联已着手开发第二代托卡马克，有意把第一代装置T-7送给其他国家。时任中科院等离子体物理研究所所长的中科院院士霍裕平，做了一个对我国核聚变发展非常重要的决定，将已停机的T-7引入国内进行改造。我们用两年多的时间将它拆解、改造，建成了中国第一个超导托卡马克HT-7。在这个新装置上，我们实现了优于其他国家的实验成绩。最重要的是，培养了一批包括我在内的科学家。

       后来，我国的磁约束做到了60秒、1000万℃，这个成果入选了2003年度中国十大科技进展新闻。但要真正实现核聚变，除了需要点火达到上亿摄氏度的高温，还需要长时间维持。去年美国实现的激光点火是惯性约束，能量要先转换成激光。对磁约束而言，大量的能量消耗在磁笼子的产生。怎样不让磁笼子消耗能量呢?那就要靠超导。所以，必须建造新一代全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环(EAST)。

     一旦说起超导，所有的问题变得既简单又复杂。说它简单，因为消耗功率大幅减少，意味着以后聚变发电，只需一点点能量就可以点火。说它难，主要有三个问题：首先，超导需要4K(-269℃)的低温，而实现聚变的温度是上亿摄氏度，怎么把这两个温度放在一起?第二，高能粒子束很容易把周边材料打坏，需要抗高温、抗高辐照的材料。第三，托卡马克对于误差有着极端的要求，哪怕0.1毫秒、0.1毫米的误差都会导致失败，所以需要先进的控制系统。而且这三者都要保持长时间连续运行。所以，实际上，实现全超导托卡马克核聚变比登天还难。我们需要产生一个上亿摄氏度高温的“甜甜圈”，还要把它放在一个-269℃的低温容器中，再把它磁悬浮起来，这就是超导托卡马克，也就是所谓的“人造太阳”。

     这的确挑战了人类科学和技术的极限。2000年10月，EAST项目正式开工。2006年9月26日，EAST成功获得等离子体，达到了500万℃，持续时间大约不到一秒。但这还远远不够。去年，EAST创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿℃、100秒等离子体运行，随后又实现了1056秒、7000万℃。这个温度比太阳中心还高6倍，可见光已经几乎没有。在长时间维持方面，中国已走到世界前列，多次创造高约束等离子体稳态运行世界纪录。

     “人造太阳”何时“亮灯”?

     人类有望10年内实现核聚变

     未来用核聚变来发电，1000秒还远远不够，必须是想运行多久就能运行多久，所以还有很多难题有待解决。目前还有几个比较困难的问题。比如等离子体的加热。平时，加热食物最快的方法是用微波炉。一般家用微波炉只有500瓦，而EAST有全世界最大的“微波炉”，微波驱动总功率高达30兆瓦，这几乎是人类现有技术的极限。只有多个极限技术共同作用，才有可能实现聚变点火并维持下去。经过几代人奋斗，现在EAST所用的技术基本已实现百分百国产化。另一个难点是长时间高温下材料很容易被打坏。聚变中所产生的部分微量中子，在1兆安电流下已经像是不安分的子弹。因此，EAST中所用的材料必须又抗辐照，又耐高温。我们用到了目前地球上几乎最先进的材料，这些材料承受的粒子轰击载荷高出飞机发动机100倍。

     为推动托卡马克发展，国际上从1985年开始倡议国际热核聚变实验堆计划ITER，2001年完成工程设计。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判。2006年5月，中国正式加入ITER。加入ITER，可以以10%的贡献获取100%知识产权，实现弯道超越，还可带动国内聚变产业的发展。通过深度参与ITER，国内一大批企业迅速发展，初步建立起了未来中国聚变工业的基础。例如，产生超导磁体所需的超导线，参加ITER前我们仅能进行36公斤的小批量生产，现在我们可以年产150吨，广泛应用于核磁共振。如今，核聚变在国际上已经成为一个竞争白热化的领域。人类对能源的需求从没有像现在这么紧迫。站在现在回望过去，前60年还是以基础研究为主，现在应该到了一个转折点，即从基础研究到工程研究到商业化，这个进程要加快。我国在磁约束核聚变的科技发展上走到了世界前列，要尽快建设实验堆(BEST)、工程示范堆(CFEDR)、商用堆。

     

我最大的梦想就是在我的有生之年，能看到聚变点燃一盏灯。曾经，我觉得这些事还很遥远，但是现在我发现有可能。因为新的时代、新的机遇，给我们提供了一个非常好的展现的舞台。我相信，我们有望用不到10年的时间实现聚变，在我有生之年一定能看到有一盏灯被聚变点亮。当然，仅仅点亮一盏灯还不够，我们还要做100万千瓦的中国聚变工程示范堆，让清洁安全的聚变能，点亮人类未来的希望。

     可控核聚变彰显人类命运与共

     可控核聚变技术不仅是人类先进技术的摇篮，更重要的意义在于，它能真正体现人类命运与共。推动托卡马克的发展，需要全世界科学家和工程师的共同努力。上世纪80年代开始，世界上所有研究磁约束聚变的等离子体物理学家始终联合在一起，合作和交流从来没有中断。现在，每年都有成百上千人次的美国科学家到中国来开会、交流。2022年，美国的托卡马克装置分配两周时间给中国科学家做实验，中国的设备也有三周给他们做实验。之所以如此，是因为实现核聚变是人类共同的梦想。如果未来能源问题被解决，可控核聚变实现了，世界就会变得更加和平。眼下，碳中和已成为关系人类未来发展的一个重要课题。聚变能源是没有二氧化碳排放的。如果人类能够很快实现核聚变，尽快开启聚变工程示范和商业应用进程，那么到本世纪末将可建设1000个聚变电站，减排二氧化碳85亿吨。聚变堆实现商用化后，电力会非常便宜。因为一个聚变电站一年仅用150公斤重水，而重水的成本仅为每吨1500万元。一个千万人口的大城市，只需10个这样的电站就够了，用电成本真的可以变成白菜价。

     人类之所以成为人类，就是因为我们内心深处都有一份善良美好的愿望，都乐于助人。技术本身不会加大贫富差距，随着技术和文明的发展，我们将更有能力去帮助欠发达的国家和地区。