11月24日上午，在位于安徽合肥未來大科學(xué)城的緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）主機(jī)大廳，中國科學(xué)院“燃燒等離子體”國際科學(xué)計劃正式啟動，并面向國際聚變界首次發(fā)布BEST研究計劃，聚力點(diǎn)燃“人造太陽”。每當(dāng)看到這類新聞，很多人的第一反應(yīng)往往是好奇中夾雜著一絲疑惑：天上的太陽還不夠用嗎？為什么人類非要在地球上自己“造”一個？

事實上，“人造太陽”并非真的要造一個掛在天上的火球，而是指可控核聚變裝置。

為什么它是“終極能源”？

萬物生長靠太陽。太陽之所以能持續(xù)燃燒數(shù)十億年，釋放出滋養(yǎng)地球的光和熱，靠的就是核心深處的核聚變反應(yīng)。簡單來說，就是兩個輕原子核（如氫的同位素氘和氚）在極高的溫度和壓力下，“大力出奇跡”撞在一起，聚變成一個較重的原子核（氦），在這個過程中，會有少部分的質(zhì)量“消失”。

根據(jù)愛因斯坦那個著名的公式 E=mc2，這丟失的一丁點(diǎn)質(zhì)量，會轉(zhuǎn)化為驚天動地的能量。

那么，為什么科學(xué)家對核聚變?nèi)绱税V迷，甚至認(rèn)為它是“終極能源”？主要有三個無法拒絕的理由：

能量密度極高：核聚變釋放的能量是核裂變（目前的核電站原理）的數(shù)倍，更是化石能源的百萬倍級。一升海水中提取的氘，發(fā)生聚變反應(yīng)釋放的能量，相當(dāng)于燃燒300升汽油。理論上，幾克燃料就足以支撐一個家庭幾十年的用電。

燃料幾乎無限：聚變的主要燃料是氘（Deuterium）和氚（Tritium）。氘在海水中儲量豐富，可以說是“取之不盡，用之不竭”；而氚雖然天然存在極少，但可以通過反應(yīng)堆自身利用鋰來增殖，而鋰在地殼和海水中也儲量巨大。

清潔且安全：這是它與傳統(tǒng)核電最大的不同。核聚變不產(chǎn)生高放射性的核廢料（產(chǎn)物主要是氦氣，無毒無害），也不會發(fā)生像切爾諾貝利或福島那樣的堆芯熔毀事故。因為聚變條件極其苛刻，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，反應(yīng)條件被破壞，反應(yīng)就會自動停止，就像熄滅的蠟燭一樣安全。

所以，人類造“太陽”，本質(zhì)上是想在地球上模擬太陽內(nèi)部的反應(yīng)機(jī)制。

要把一團(tuán)火燒到一億度

既然原理這么完美，為什么我們到現(xiàn)在還沒用上聚變能發(fā)的電？因為——太難了。

太陽能發(fā)生聚變，是因為它擁有巨大的質(zhì)量和引力，其核心壓力是地球大氣壓的3000億倍。在地球上，我們無法產(chǎn)生那么大的引力，只能另辟蹊徑：用更高的溫度來補(bǔ)償壓力的不足。

要在地球上實現(xiàn)可控核聚變，我們需要滿足著名的“勞森判據(jù)”（1957年由英國物理學(xué)家約翰·勞森提出的核聚變反應(yīng)堆能量平衡條件），簡單說就是搞定三個極端條件：

溫度夠高：需要將燃料加熱到1億攝氏度以上（比太陽核心還熱近10倍），讓原子核跑得足夠快，才能克服斥力撞在一起。

密度夠大：粒子要足夠密集，增加碰撞的概率。

時間夠長：這團(tuán)高溫高密度的等離子體（帶電氣體）必須被約束住足夠長的時間，才能維持反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。

這里最大的難題在于，地球上沒有任何材料能裝得下1億度的東西。不管是鋼鐵還是金剛石，碰到這個溫度瞬間就會氣化。

為了解決這個問題，科學(xué)家們想出了一個絕妙的辦法：磁約束。既然實物容器不行，那就用無形的“磁場籠子”來裝。

這就是目前最主流的裝置——托卡馬克（Tokamak）。它長得像一個巨大的甜甜圈，通過超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，將1億度的高溫等離子體懸浮在真空室中間，既不讓它碰到墻壁，又能讓它在里面瘋狂轉(zhuǎn)圈、碰撞、燃燒。

這是一臺精密至極的機(jī)器，擁有上百萬個零部件，需要在極端溫差（內(nèi)部1億度，外部超導(dǎo)線圈接近絕對零度）下穩(wěn)定運(yùn)行，其工程難度不亞于在地球上重建一個微型宇宙。

中國力量點(diǎn)亮“人造太陽”

在追逐 “人造太陽” 的全球競賽中，中國團(tuán)隊正以自主創(chuàng)新的硬核實力書寫著答卷。

東方超環(huán)（EAST），俗稱“人造小太陽”，是中國科學(xué)院等離子體所自主設(shè)計、研制并擁有完全知識產(chǎn)權(quán)的磁約束核聚變實驗裝置，是世界上第一個非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克，也是首個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行且持續(xù)時間達(dá)到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置，位于安徽省合肥市科學(xué)島。

中國環(huán)流三號，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計建造的托卡馬克核聚變裝置，因模擬太陽內(nèi)核反應(yīng)機(jī)制被稱為“新一代人造太陽”。該裝置以本世紀(jì)中葉實現(xiàn)聚變能應(yīng)用為戰(zhàn)略目標(biāo)，主體總高8.39米、直徑8米，等離子體離子溫度達(dá)1.5億攝氏度，是我國規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束核聚變實驗裝置，核心技術(shù)指標(biāo)位居國際前沿水平。

回到最初的問題：我們需要多久才能用上核聚變發(fā)的電？

“我認(rèn)為實現(xiàn)可控核聚變已經(jīng)不再是‘永遠(yuǎn)50年’，預(yù)計在2050年左右，即可實現(xiàn)可控核聚變的商業(yè)化應(yīng)用?！痹?025世界聚變能源集團(tuán)第2次部長級會議暨國際原子能機(jī)構(gòu)第30屆聚變能大會期間，核工業(yè)西南物理研究院院長助理、聚變科學(xué)所所長鐘武律表示。

這項技術(shù)確實還有很長的路要走，也許還需要整整一代科學(xué)家的青春。中國工程院院士李建剛曾說過，“希望在我們有生之年，能有一盞燈被核聚變所點(diǎn)燃，這盞燈也必須在中國。”

參考資料：

1.新華社丨太陽“人造”？！這項重大技術(shù)國際合作有了新進(jìn)步

2.央視新聞丨中國院士：我國必須有一盞燈被核聚變點(diǎn)燃

3.中國能源新聞網(wǎng)丨二〇五〇年或可實現(xiàn)可控核聚變商業(yè)化應(yīng)用

4.中國能源報丨可控核聚變技術(shù)何時商業(yè)化？

撰文：記者 段大衛(wèi)

編輯：段大衛(wèi)