院士的話

核聚變能以其資源無限、環(huán)境友好和固有安全性等優(yōu)勢將成為人類未來的理想能源，是目前認識到的最終解決人類社會能源與環(huán)境問題的有效途徑之一。開發(fā)利用核聚變能將對我國經濟社會發(fā)展、國防工業(yè)建設具有重要戰(zhàn)略意義。

葉奇蓁

中國工程院院士

01

可控核聚變的穩(wěn)態(tài)燃燒研究的意義

核聚變能以其資源無限、環(huán)境友好和固有安全性等優(yōu)勢將成為人類未來的理想能源，是目前認識到的最終解決人類社會能源與環(huán)境問題的有效途徑之一。開發(fā)利用核聚變能將對我國經濟社會發(fā)展、國防工業(yè)建設具有重要戰(zhàn)略意義。

02

不竭能源的人類夢想——核聚變能

1952年世界上第一顆氫彈成功試爆，人類認識到了氘-氚核聚變反應的巨大能量。但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應，不能作為提供能源的手段。自此以后，人類便致力于在地球上實現人工控制下的核聚變反應，即可控核聚變研究，希望利用

太陽發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類提供源源不斷的能源。因此人們也將可控核聚變研究的實驗裝置稱為“人造太陽”。

然而，“人造太陽”維持自身燃燒的條件非常苛刻。英國科學家勞遜在20世紀50年代詳細研究了這一條件的門檻——也被稱為聚變點火條件。根據勞遜等人的計算，實現氘氚可控核聚變的等離子體離子溫度要大于1億度，等離子體密度和等離子體能量約束時間的乘積大于2×1020m-3·s。

03

未來能源之路——“人造太陽”

能源是人類社會發(fā)展的基礎和動力。一部能源史是人類與自然的斗爭史，也是人類社會生產力的發(fā)展史。我們的祖先從“鉆木取火”開啟能源利用，木材成為人類最早利用的能源。工業(yè)革命將人類帶入“化石能源時代”，高熱值、分布廣的煤炭成為全球第一大能源。蒸汽機為工業(yè)發(fā)展提供了巨大的動力。能源利用推動了人類社會發(fā)展，同時，人類對能源的需求進一步提升。能源危機給社會經濟和環(huán)境帶來了巨大威脅。一方面化石能源面臨枯竭，另一方面，人類向大氣中排入的二氧化碳等溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應也隨之增強，已引起全球變暖等一系列嚴重問題。

長期以來，人們對于未來的清潔能源做了大量的探索，其中包括可再生能源，比如太陽能、風能。但是太陽能、風能等都要受時間、氣候、地域等因素的限制，相對于現代社會對電力的巨大需求來說，只能解決局部問題。目前，解決人類能源與環(huán)境問題的最大希望是核能，也稱為原子能。

原子能分為核裂變和核聚變兩種方式。核裂變是較重的原子核分裂為較輕的原子核并釋放出能量的過程。人類見識到以核裂變?yōu)樵淼脑訌椀耐蟛痪?，?0世紀50年代初蘇聯就建成了世界上首座核（裂變）電站，成功實現了原子能和平利用。

而核聚變則是將較輕的原子核聚合反應而生成較重的原子核，并釋放出巨大能量。氘氚聚變是當前地球上最容易實現的核聚變反應，其作為能源優(yōu)勢非常明顯。首先是燃料在地球上的儲量極為豐富。氘大量存在于在水中，每公升水可提取出約0.035克氘，通過聚變反應可釋放相當于燃燒300公升汽油的能量；氚由于半衰期較短，在自然界中儲量有限，但其可通過中子轟擊鋰來制備，而在地殼，鹽湖和海水中，鋰都是大量存在的。二是不產生高放射性核廢料，不污染環(huán)境；三是具有固有安全性等優(yōu)點。所以核聚變能源是目前人類認識到的，可以最終解決人類能源問題和環(huán)境問題，推動人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。

04

最熱“人造太陽”——托卡馬克

地球上“人造太陽”的途徑主要為慣性約束和磁約束。慣性約束核聚變研究始于20世紀70年代，主要是通過激光或離子束驅動靶丸形成等離子體，利用等離子體粒子自身慣性，通過內爆被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)發(fā)生核聚變反應。其中進展較大的是激光聚變路線，以我國“神光”計劃和美國國家點火裝置NIF為代表。磁約束核聚變研究始于20世紀50年代，其通過磁場來約束處于極高溫下的聚變燃料，將足夠多的燃料在極端高溫條件下約束足夠長時間，由此實現核聚變反應，產生聚變能。半個世紀以來，國際上探索了箍縮、磁鏡、仿星器、球馬克、托卡馬克等眾多磁約束核聚變路線，當前以托卡馬克（圖2）路線技術最為成熟。

國際上自托卡馬克開展實驗以來，等離子體綜合參數不斷提升，裝置的離子溫度、密度與能量約束時間三者的乘積（“三乘積”）提升了幾個數量級，逐漸趨近點火條件。先后在歐洲聯合環(huán)JET與美國托卡馬克聚變測試堆TFTR獲得氘氚聚變功率輸出，揭示了托卡馬克磁約束可控核聚變路線的原理可行性。2021年，JET創(chuàng)造了59MJ聚變能輸出的新世界紀錄。

05

“人造太陽”在東方冉冉升起

我國可控核聚變研究早在20世紀50年代就開始了，幾乎與國際上可控核聚變研究同時起步。1955年，正值我國制定“十二年科學技術長期規(guī)劃”之際，錢三強以及剛從美國回來的李正武等科學家倡議在我國開展“可控熱核反應”的研究，目的是為了探索核聚變能的和平利用。1958年開始，我國磁約束可控核聚變實驗研究在原二機部401所及中國科學院物理研究所等研究單位展開，并于1965年在四川樂山建成了我國致力于聚變能開發(fā)的專業(yè)研究機構———西南物理研究所。自此以后，我國先后發(fā)展了多種類型的磁約束聚變研究裝置，如脈沖磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導磁鏡、反場箍縮裝置和托卡馬克，于1984年在四川樂山建成了我國核聚變領域第一座大科學裝置———中國環(huán)流器一號托卡馬克裝置，它是我國核聚變研究史上的一個重要里程碑，其成功建造與運行，為我國自主設計、建造、運行核聚變實驗研究裝置積累了豐富經驗，培養(yǎng)了相關技術及實驗運行的人才隊伍?，F役國家大科學裝置“人造太陽”中國環(huán)流二號（HL-2A）在國內首個實現偏濾器位形放電、高約束模，東方超環(huán)（EAST）首次實現千秒量級長脈沖運行和403秒高約束模等一系列里程碑。這些裝置為我國核聚變研究從原理探索到大規(guī)模裝置實驗的跨越式發(fā)展奠定了堅實的科學與工程技術基礎。

結語

通過參與ITER計劃，相關科研實力得到極大提升，相關領域研發(fā)和技術水平也取得長足進步，通過國際大科學工程的帶動，中國核聚變研究已由跟跑轉向并跑，部分技術達到國際領先水平。新一代“人造太陽”中國環(huán)流三號（HL-3），是目前國內規(guī)模最大、參數能力最高的托卡馬克，是目前國內唯一具備堆芯級高參數運行能力的核聚變研究裝置，是我國深度參與ITER實驗，消化吸收ITER運行成果的大科學支撐平臺。2023年，HL-3突破等離子體電流百萬安培高約束模式放電，創(chuàng)造了我國可控核聚變裝置運行新紀錄，實現了我國核聚變裝置運行向大電流高參數運行的歷史性跨越，標志著我國核聚變裝置高參數運行技術水平已躋身國際前列，向點燃“人造太陽”又邁進重要一步。在未來幾年，HL-3計劃開展氘氚實驗，將為聚變堆穩(wěn)態(tài)燃燒科學和技術問題提供中國方案。

我們堅信，通過大家共同努力，“人造太陽”一定能閃耀在世界的東方，點亮我們的能源夢想。

圖文內容來源于：

《面向未來的科技——2023重大科學問題、工程技術難題和產業(yè)技術問題解讀》

微信號｜大美科學

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