如果能夠在地球上可控地實現核聚變，人類就可以擁有清潔而且源源不斷的新能源。
記者 | 陳冰
行星發動機、量子計算機、太空電梯……電影《流浪地球2》中的「硬核科技」讓人嘆為觀止。
實際上，無論是國外的科幻大片《鋼鐵俠》還是國內的春節黑馬《流浪地球2》，它們並不僅僅只是電影人天馬行空的想像，而是有著現實支撐的「原型」——可控核聚變就是其中之一。
作為地球能源的供給者，太陽之所以能量源源不斷，就在於它內部一直在進行大量的核聚變。人類主要消耗的化石能源（石油、天然氣、煤炭等）是存儲了億萬年之前光合作用產生的能量，但隨著人類對能源的需求越來越大，尤其是進入工業社會以後，化石能源加速消耗，可以預見，未來的100到300年，化石能源必然枯竭，人類的文明想要繼續發展，必須尋找新的能源。
科學家們將目光轉向了核聚變，如果能夠在地球上可控地實現核聚變，人類就可以擁有清潔而且源源不斷的新能源。在能源安全和碳中和兩大背景下，聚變能已成為大國競爭的戰略焦點，有望與可再生能源一起成為去碳化的王牌。
只是可控核聚變，這份看上去事關人類命運共同體的偉大事業，花費了全球科學家幾十年的時間，卻一直進展緩慢。直到去年12月份，美國在核聚變研究上首次實現「淨能量增益」（產生的能量超過投入量），這意味著，人類可能距離擁有「近無限、安全、清潔」的能源又邁出一步。
其實，在中國合肥市西郊的科學島上，也有一座大科學裝置——EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），全稱是全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。大家給它起了一個可愛的名字——「人造太陽」。2023年2月末，「人造太陽」EAST牽頭人、中國工程院院士李建剛在墨子沙龍上，向我們講述了中國人在可控核聚變徵途上的一次次突破。
李建剛在墨子沙龍上，向我們講述了中國人在可控核聚變徵途上的一次次突破
「我最大的夢想就是在我的有生之年，能夠有一盞燈被核聚變點亮，這盞燈一定要在中國合肥。」這是中國工程院院士李建剛五年前在中央電視台《開講啦》節目中許下的願望。
院士小傳李建剛，中國工程院院士，理學博士，合肥國家科學中心能源研究院院長，中國磁約束聚變專家委員會召集人，中國物理學會副理事長。長期從事磁約束聚變研究，在等離子體加熱、偏濾器物理與工程、等離子體與材料相互作用、聚變堆設計等方面做出重要貢獻。
五年後的今天，李建剛「修改」了曾經的表達：「過去我認為我的有生之年不一定看得到的，所以叫做『夢想』，而現在，新的時代和機遇給了我們絕佳的舞台。我相信十年之內，一定能看到有一盞燈在合肥被核聚變點亮。」
核聚變——人類終極能源
1905 年 9 月 27 日，愛因斯坦提出了著名的質能方程：E=mc? ，能量等於質量乘以光速的平方。質能方程的另一種表示是：ΔE=Δmc? ，產生的能量等於減小的質量乘以光速的平方。這預示著伴隨著質量的虧損會釋放出巨大的能量，由此開啟了核能時代。
隨著原子質量數的增加，每個核子（質子和中子）的平均質量會經歷先減小後增大的過程，因此核反應存在兩種：重核裂變與輕核聚變，對應的核能分別為核裂變能與核聚變能。
核聚變是兩個輕量元素的原子核聚合到一起，同時釋放巨大能量的核反應。這種反應在宇宙中非常普遍，所有自發光的天體（即恆星）都是天然的聚變體。距離我們最近的恆星是太陽，在太陽內部約有百分之一的區域稱為日核區，這裡溫度極高、壓強極大，如此環境使得聚變反應持續發生。
可控核聚變，重現的是與太陽相同的反應，就是將氫原子核相互碰撞之際發生的能量用於發電。在理論上，1克燃料可產生相當於8噸石油的能量。如果可以實現像太陽一樣的連續核聚變反應，我們便可以得到持續的能量產出，人類的能源困局和環境危機便會迎刃而解。
李建剛院士指出，可控核聚變具有三大優勢。
首先，原料儲量巨大。目前相對容易實現且期望被率先實現的是氘—氚聚變反應。其中氘原料存在於海水中，地球上海洋面積遼闊，其中蘊藏了超過40萬億噸的氘原料。1升海水就可以提取約 0.03 克的氘，後者產生的聚變能相當於 300 升汽油，能讓一輛汽車從北京到廣州跑個來回。所以說，海水裡邊的氘資源可以供我們人類用100億年！
其次，氘—氚聚變反應的最終產物是氦和攜帶大量能量的中子，不會造成任何污染，對環境是友好的。
最後，核聚變反應具有固有安全特性。所謂固有安全性，就是永遠都安全。即便在極端失控條件下，它會在短時間內自行終止反應，產生的也只是氦氣，沒有長壽命的放射性氣體，非常安全可靠。
「可控核聚變發電時不產生二氧化碳，只要停止燃料供應，反應立刻停止，與核電相比，安全方面的風險很低。」李建剛說，一座100萬千瓦的電站，如果是採用煤發電，大概要消耗150—200萬噸煤，產生400—500萬噸的二氧化碳排放。如果是裂變核電站的話，那麼需要30噸鈾，而聚變核電站的話，每年僅消耗150公斤重水和鋰，且和裂變核電站一樣，完全沒有二氧化碳排放。
由此可見，可控核聚變無疑是「碳中和」背景下的必然選擇；它的原料來源廣泛，原料利用率高，相對於人類文明的時間尺度來說，可以說是「取之不盡，用之不竭」。「人類終極能源是80%的聚變加20%的可再生能源。」李建剛說。
「人造太陽」兩大難
那麼，我們如何實現可控核聚變呢？
「人造太陽」兩大難
與核裂變相比，核聚變反應的效率更高，但實現難度更大。
核聚變反應需要同時滿足三個條件：足夠高的溫度、一定的密度和一定的能量約束時間。
李建剛指出，原子核只有在極高溫度（1 億攝氏度以上）下才具有足夠的能量克服彼此間的靜電能量壁壘 ，以啟動和維持核聚變反應；而且必須保持一定的密度（粒子濃度）才能提高原子核的碰撞效率，以獲得足夠的有效反應；此外，還需要大於1秒鐘的約束時間，高能量約束時間意味著良好的隔熱性能，以保持反應物高溫。
滿足這三個條件，才僅僅是能夠觸發核聚變反應，更為困難的是讓上述核聚變反應可控和持續。「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。」李建剛說，約束這些等離子體有三種方式，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雷射作為驅動器的慣性約束和磁約束。
過去70年，美國一直嘗試用高能雷射轟擊核聚變材料，藉助雷射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2.05兆焦的雷射聚焦到核聚變材料上，產生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大於1，達到了「點火」標準。
儘管單從數據上看，這次實驗產生的能量「只夠燒開10壺水」，但它的意義非常重大。根據核聚變反應的勞森準則，當核聚變的能量產出率大於能量損耗率，並且有足夠的能量被系統捕獲和利用，就可以被稱為「點火成功」。但在過去幾十年中，這一直是科學家們未能實現的夢想。NIF從2010年開始正式的點火實驗，用了10多年時間才夢想成真。
李建剛說，NIF設置了一個「小靶子」，「靶子」中有熱核材料，然後利用高能雷射照射「小靶子」，點燃裡面的熱核材料產生核聚變，最後輸出的能量就是核聚變能。「用美國能源部的話說，這是70年來美國科學中最偉大的突破之一。」
美國國家點火裝置NIF是世界上最大的雷射裝置，造價高達35億美元，可以動用近200台雷射器產生的高能雷射集中轟擊一個微小的核聚變材料靶標，以啟動核聚變反應。李建剛透露，中國也有類似的高能雷射裝置。中科院與中物院聯合研製的「神光II」型高能量聚變雷射器已於2000年建成投入運行。
下面再來說說另外一條技術路徑——磁約束聚變。
磁約束，顧名思義，就是讓核聚變產生的等離子體置身於有磁場的空間，帶電的原子核與電子在垂直於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。這種磁場看不見、摸不著，也不接觸有形的物體，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，這是一種形如麵包圈的環流器，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。
在俄文中，托卡馬克一詞由環形、真空室、磁、線圈的前幾個字母組成。學界的主流認識認為，托卡馬克裝置離實現商用級可控核聚變更有希望。因此，磁約束核聚變就成為了人類實現「人造太陽」夢想的途徑之一。
即便有了這樣的裝置，「點火」和「持續燃燒」依然是人類必須攻克的兩座山頭。
東方超環橫空出世
李建剛說，約束等離子體的磁場，雖然不怕高溫，卻很不穩定，且等離子體在加熱過程中能力也不斷損失，這給托卡馬克實際應用帶來了重重挑戰。
1985年，時任蘇共中央總書記戈巴契夫在日內瓦峰會上，與時任美國總統里根的會面中提出一項倡議——由多國聯合開發核聚變裝置，以減少因爭奪能源可能引發的國際爭端。
隨後在1988年，人們開始了實驗堆的研究設計。
這個項目後來成為了 ITER（國際熱核聚變實驗反應堆）——一個超大型托卡馬克裝置。整個裝置高約30米，相當於10層樓高，等離子體環的半徑超過6米。它的目標是把等離子體加熱到10億度，維持500秒的核聚變實驗，每小時用5萬度電的能量，而釋放出50萬度電的能量。
這項造福整個人類的宏偉計劃，由於牽涉國家利益較多，ITER計劃上演了長達十年的「選址糾紛」。直到2006年，ITER反應堆正式啟動建設，參與方包括中國、歐盟成員國、美國、俄羅斯、韓國和日本等35個國家，其中中國在其中承擔約9%的採購包製造任務。
與此同時，上世紀90年代，蘇聯已經著手開發第二代托卡馬克，有意把第一代裝置送給其他國家，在時任中科院等離子體物理研究所所長的霍裕平院士的領導下，我國用400萬人民幣的生活用品交換了蘇聯的一台 T-7 的半超導托卡馬克，並為此在四川樂山建立了中國最大的磁約束聚變基地。
經過拆解、重裝、改造，我國第一個托卡馬克建成了。很快，科學家們在其上取得了一系列優於蘇聯的實驗成果，也培養了包括李建剛在內的一批科學家。
2006年，就在中國加入ITER建設的同年9月28日，中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造的新一代熱核聚變裝置EAST（東方超環）首次成功完成放電實驗。
EAST成為世界上第一個建成並真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置。
這座位於合肥科學島上中國科學院等離子體物理研究所的托卡馬克，是世界上首個全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，其內部 30 個超導線圈在極低溫條件下具有零電阻效應，因而可以產生穩態的約束磁場，使聚變堆穩態運行成為可能。
在 EAST 高 11 米、直徑 8 米的主機中，集成了超高溫（億攝氏度等離子體）、超低溫（-269 攝氏度超導線圈）、超高真空（大氣壓的百億分之一）、超強磁場（地磁場的數萬倍）、超大電流（普通插線盒的千倍以上）五大極限工況。
EAST 的設計建造是一項極為複雜的工程。李建剛院士形容超導托卡馬克之路「難於上青天」，「在時間和空間上的要求比太空梭還要苛刻。太空梭的調整時間有幾十秒鐘，空間也有幾百公里，但托卡馬克如果出現0.1毫秒的誤差，就燒得灰飛煙滅了」。
超導CICC及磁體技術、總控及數采系統 、2kW/4.5K 大規模低溫製冷系統、超高真空系統等一系列重大技術難關被我國科學家一一克服。以至於李建剛幽默地說，自己本來是物理學家，結果為了解決東方超環的工程問題，生生花20年成為了工程師，也因此成為了中國工程院院士。
建成於 2006 年的 EAST 裝置累計等離子體放電次數超過 10 萬次，先後於 2010 年運行 1 兆安等離子體電流，2021 年 5 月 28 日實現可重複的 1.2 億攝氏度 101 秒和 1.6 億攝氏度 20 秒等離子體運行，2021 年 12 月 30 日實現 1056 秒長脈衝高參數等離子體運行世界紀錄，在穩態高性能方面處於國際領先。
李建剛說，成立於 1978 年的等離子體所，先後建成並運行了四代托卡馬克裝置，實現了我國聚變研究從跟跑到並跑再到領跑的跨越。每一次進步都為未來的「人造太陽」注入一縷光芒，我國科學家正逐漸把「人造太陽」從夢想變為現實。等離子體所團隊成員有信心解決等離子體燃燒高效點火和穩態維持及安全控制等科學和工程問題，讓聚變能的第一盞燈在中國點亮！
如果說「托卡馬克」是李建剛核聚變事業的「太陽」，那麼，在李建剛心裡，還有一個美好的「太陽」——「善良和互助是根植於人類心中的文明內核，核聚變可以幫助人類擺脫資源匱乏帶來的災難和戰亂，人類可以在解決能源危機的過程中互幫互助，這些都是文明發展的趨勢，也是『人類共同體』的應有之義」。
本文部分資料來源於墨子沙龍公眾號
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