中國的“人造太陽”是怎樣聚變的？

潘偉

近期，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院（以下簡(jiǎn)稱“中核集團(tuán)西物院”）新一代人造太陽“中國環(huán)流三號(hào)”（HL-3）首次實(shí)現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行，再次刷新我國磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄。今年4月，世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克“東方超環(huán)”（EAST）成功實(shí)現(xiàn)了403秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模式運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。

近年來，國內(nèi)外核聚變研究陸續(xù)取得突破性進(jìn)展。不過，中國工程院院士李建剛坦言，核聚變研究成果真正投入商用，變成送入千家萬戶的電，可能至少還需要幾十年。他堅(jiān)信：不久的將來，中國一定有一盞燈被核聚變點(diǎn)亮。

核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全的重要基石。以中核集團(tuán)西物院、中國科學(xué)院等離子體物理研究所等為代表的中國核聚變研究機(jī)構(gòu)是我國推進(jìn)核聚變技術(shù)研發(fā)與國際合作的中堅(jiān)骨干力量，在過去幾十年里為中國核聚變研究事業(yè)的“薄發(fā)”打下了深厚基礎(chǔ)。

最接近理想的終極能源

“萬物生長(zhǎng)靠太陽”不僅是一句歌詞，還是一門科學(xué)。煤炭、石油、天然氣、風(fēng)能、光伏能、生物能等人類使用的大部分能源根本上都來源于太陽，本質(zhì)上都屬于太陽能，產(chǎn)生于太陽內(nèi)部每時(shí)每刻發(fā)生著的核聚變。

在科幻電影《流浪地球2》中，推動(dòng)地球遠(yuǎn)航的就是上萬個(gè)所謂“行星發(fā)動(dòng)機(jī)”，其能量來自于“受控核聚變”。由于和太陽內(nèi)部的核聚變?cè)硐嗤芸睾司圩儗?shí)驗(yàn)裝置又被稱為“人造太陽”。在現(xiàn)實(shí)里，雖然人類進(jìn)行了60多年的不懈探索，但是受控核聚變目前仍然處于實(shí)驗(yàn)階段。

中核集團(tuán)黨組書記、董事長(zhǎng)余劍鋒表示：“未來可控核聚變的實(shí)現(xiàn)，有望為解決人類能源問題提供終極方案。”

據(jù)了解，核能包括核裂變能和核聚變能，目前人類核能發(fā)電利用的是核裂變。核裂變和核聚變都有受控和不受控兩大類。原子彈是利用不受控核裂變?cè)恚芸睾肆炎儎t可以用來發(fā)電等。氫彈比原子彈威力更強(qiáng)，利用了不受控核聚變?cè)恚蝗绻芸睾司圩冄芯繉?shí)現(xiàn)突破，那么人類距離商業(yè)化運(yùn)行核聚變發(fā)電等就不再遙遠(yuǎn)。

受控核聚變具有固有安全性，因此不會(huì)發(fā)生像切爾諾貝利、福島核電站這樣的悲劇。“談核色變”的時(shí)代也將徹底與人們告別。

“由于燃燒的氘氚等離子體被磁場(chǎng)約束在真空容器內(nèi)，其密度比空氣低數(shù)個(gè)量級(jí)，聚變堆氘氚燃料含量也較低，因此不會(huì)引起爆炸，也不會(huì)導(dǎo)致泄漏事故。”中核集團(tuán)核聚變領(lǐng)域首席專家段旭如說。

記者了解到，與傳統(tǒng)能源相比，聚變能具有原料豐富、清潔環(huán)保、不產(chǎn)生直接放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)與核聚變發(fā)生過程的基本原理密切相關(guān)。

那么核聚變是如何產(chǎn)生能量的呢？愛因斯坦的質(zhì)能方程式E=mc2（能量等于質(zhì)量乘以光速的平方）揭示了質(zhì)量和能量相互轉(zhuǎn)化的理論過程。以最常見、最容易實(shí)現(xiàn)的核聚變形式之一“氘氚聚變”為例，當(dāng)一個(gè)氘原子（原子核內(nèi)有1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子）和一個(gè)氚原子（原子核內(nèi)有1個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子）發(fā)生聚合反應(yīng)，會(huì)生成一個(gè)氦原子（原子核內(nèi)有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子），并釋放一個(gè)中子，同時(shí)因?yàn)橘|(zhì)量發(fā)生虧損釋放約17.6兆電子伏特的能量。

從“投入的原料”來看，核聚變用到的燃料氘，廣泛存在于海水中。我國著名核物理學(xué)家、“兩彈一星”功勛獎(jiǎng)?wù)芦@得者王淦昌在《21世紀(jì)主要能源展望》中表示：“1升海水中所含的氘（D）全部聚變釋放出的能量相當(dāng)于300L（升）的汽油。因此水中的氘可供人類用幾百億年之久。”此外，氚則可以在反應(yīng)堆中通過鋰再生，而鋰大量存在于地殼和海水中。

從“產(chǎn)出的物質(zhì)”來看，核聚變沒有產(chǎn)生任何直接放射性核廢料，也沒有碳排放，而中子對(duì)堆結(jié)構(gòu)材料的活化只產(chǎn)生少量易于處理的短壽命放射性物質(zhì)。業(yè)內(nèi)專家表示，這可以說污染非常小，最接近理想了。此外，也可以使用氦-3進(jìn)行熱核反應(yīng)，氘和氦-3聚變是反應(yīng)條件僅次于氘氚的聚變?nèi)剂希洚a(chǎn)物中無中子，放射性小。其最主要的缺點(diǎn)是，氦-3在地球上的儲(chǔ)量有限且價(jià)格昂貴。氦-3雖然在地球上儲(chǔ)量很少，但是在月球上儲(chǔ)量巨大。

2022年9月，嫦娥五號(hào)的最新科學(xué)成果公布。其中一項(xiàng)成果顯示，中核集團(tuán)實(shí)現(xiàn)我國首次成功獲得嫦娥五號(hào)月壤中未來聚變能源資源——氦-3含量及提取參數(shù)條件，為我國月球資源評(píng)價(jià)和開發(fā)提供了基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。

為什么受控核聚變至今處于實(shí)驗(yàn)階段？實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的條件十分苛刻，需要足夠高的等離子體溫度、密度，并維持一定的反應(yīng)時(shí)間，即由英國物理學(xué)家勞森在20世紀(jì)50年代提出的“聚變?nèi)胤e”。

其中，“苛刻”在高溫方面的表現(xiàn)之一就是：需要溫度達(dá)到1億攝氏度以上，要知道太陽的核心溫度也不過約為1500萬攝氏度。因而，滿足“勞森判據(jù)”、實(shí)現(xiàn)輸出能量大于輸入能量等是人類五六十年以來一直在努力解決的問題。

不算晚的起步

在過去的十多年里，以中核集團(tuán)西物院、中國科學(xué)院等離子體物理研究所等為代表的中國核聚變研究實(shí)現(xiàn)了從跟跑到并跑，再到部分領(lǐng)跑。

“在磁約束核聚變方面，中國的核技術(shù)（特別是高通量堆、中子源、加速器等）對(duì)美國具有優(yōu)勢(shì)。”第八屆國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)學(xué)科評(píng)議組成員和理論經(jīng)濟(jì)學(xué)聯(lián)席召集人、復(fù)旦大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院院長(zhǎng)、中國經(jīng)濟(jì)研究中心主任張軍今年在探討“中國核聚變產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)與能源強(qiáng)國戰(zhàn)略規(guī)劃思路”時(shí)表示：“在核聚變領(lǐng)域，美國尚不具備卡住中國‘脖子的技術(shù)儲(chǔ)備和產(chǎn)業(yè)實(shí)力，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)華絕對(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。”

核聚變能的開發(fā)是具有前瞻性、創(chuàng)新性、綜合性、長(zhǎng)周期的大科學(xué)工程，遠(yuǎn)非一朝一夕之間就能成功追趕。中國積累起核聚變技術(shù)優(yōu)勢(shì)的原因之一就在于并不算晚的起步。

20世紀(jì)50年代初，美國、英國和蘇聯(lián)在研制核武器的同時(shí)，也在從事受控核聚變的研究工作。1952年，人類歷史上第一顆氫彈在太平洋馬紹爾群島的埃尼威托克珊瑚島被引爆，產(chǎn)生的爆炸當(dāng)量相當(dāng)于廣島原子彈的500倍。

同一時(shí)期，我國及時(shí)前瞻性戰(zhàn)略性布局開展受控核聚變研究，隨著老一輩核物理學(xué)家李正武、王承書等人倡導(dǎo)開展“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究，中國核聚變—— “人造太陽”的研究就此拉開了帷幕。1965年，伴隨著三線建設(shè)，在四川樂山建立了我國磁約束核聚變研究基地——核工業(yè)西南物理研究院。中核集團(tuán)西物院建于1965年，在艱苦的環(huán)境中投身于核聚變研究工作。

1983年，我國提出核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”的“三步走”戰(zhàn)略，為我國核能事業(yè)發(fā)展指明了路線和方向。2023年恰逢“三步走”戰(zhàn)略實(shí)施的第40年。

歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的艱苦奮斗，中核集團(tuán)一代又一代“核聚變?nèi)恕币浴翱涓缸啡铡卑愕木瘢ⅰ叭嗽焯枴钡睦硐胱優(yōu)楝F(xiàn)實(shí)。1984年建成了中國環(huán)流一號(hào)（HL-1），1994年將其改建成中國環(huán)流新一號(hào)（HL-1M），2002年建成我國第一個(gè)具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環(huán)流二號(hào)（HL-2A），2020年新一代人造太陽裝置“中國環(huán)流三號(hào)”（HL-3）建成，2022年中國新一代“人造太陽”裝置（HL-3）等離子體電流實(shí)現(xiàn)115萬安培……

其中，中國環(huán)流一號(hào)（HL-1）是中核集團(tuán)西物院在沒有圖紙資料和技術(shù)條件下，歷經(jīng)8年辛苦攻關(guān)，最終研制成功的中國第一個(gè)大型人造太陽實(shí)驗(yàn)裝置，更是我國核聚變研究的重要里程碑。以著名核物理學(xué)家王淦昌教授為首的一批科學(xué)家于1990年和1992年兩次對(duì)中國環(huán)流一號(hào)物理成果進(jìn)行評(píng)議，一致認(rèn)為“達(dá)到了國際同類裝置中等離子體參數(shù)的國際水平”。據(jù)悉，中核集團(tuán)西物院通過中國環(huán)流一號(hào)取得5000多項(xiàng)科研成果，獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

“中國環(huán)流一號(hào)”裝置原址已經(jīng)成為國家重點(diǎn)文物保護(hù)單位、全國工業(yè)文化遺產(chǎn)、全國科普教育基地、全國科學(xué)家精神教育基地……如今陳列在四川省樂山市的中國核聚變博物館面向公眾開放。

借力ITER貢獻(xiàn)中國智慧

正是有了幾代人半個(gè)多世紀(jì)的奮斗和積淀，才有了后來中國抓住“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆”（International Thermonuclear Experimental Reactor，以下簡(jiǎn)稱“ITER”）計(jì)劃的機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)了近10多年以來中國核聚變研究突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

“中國能夠參加ITER，是因?yàn)檫^去50年我們打下了很好的基礎(chǔ)，這幾年的進(jìn)展更是突飛猛進(jìn)。”中核集團(tuán)戰(zhàn)略咨詢委委員、西物院科技委主任劉永說。

據(jù)了解，ITER計(jì)劃旨在建造一個(gè)電站級(jí)別的可自持燃燒的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)堆，以便對(duì)未來聚變示范堆及商用聚變堆的物理和工程問題做深入探索。

作為當(dāng)今世界最大的大科學(xué)工程國際科技合作計(jì)劃之一，ITER計(jì)劃包括中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國7個(gè)成員方，共有30多個(gè)國家。中國于2006年加入該計(jì)劃。

中核集團(tuán)緊緊抓住ITER計(jì)劃這個(gè)難得的歷史機(jī)遇，組織相關(guān)成員單位，承接相關(guān)制造任務(wù)，攻克技術(shù)難題，為ITER計(jì)劃貢獻(xiàn)了“中國智慧”和“中國方案”。

自2008年以來，我國陸續(xù)承擔(dān)了18個(gè)采購包的制造任務(wù)，涵蓋了ITER裝置關(guān)鍵部件，由國內(nèi)上百家科研院所、企業(yè)承擔(dān)。其中，中核集團(tuán)西物院和中國科學(xué)院等離子體物理研究所是中國參與ITER計(jì)劃的主要承擔(dān)單位；航天科工貴州航天新力、西部超導(dǎo)、寧夏東方、合肥科燁等企業(yè)參與了ITER計(jì)劃相關(guān)部件、材料、工藝的研發(fā)和加工。

其中，中核集團(tuán)西物院承擔(dān)了ITER計(jì)劃中多個(gè)關(guān)鍵部件的研制任務(wù)，包括磁體支撐系統(tǒng)、包層第一壁、包層屏蔽模塊、氣體注入系統(tǒng)等采購包項(xiàng)目。針對(duì)ITER采購包任務(wù)，中核集團(tuán)西物院在設(shè)計(jì)創(chuàng)新、特殊材料研制、材料連接技術(shù)、關(guān)鍵部件制造技術(shù)和試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)開發(fā)等方面取得突破，突破了一系列聚變工程關(guān)鍵技術(shù)。

我國參與ITER計(jì)劃不僅為國際熱核聚變研究發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，也使中國率先掌握大型托卡馬克工程安裝能力及相關(guān)核心技術(shù)，為未來自主建造聚變商用堆積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)等。

“中國的聚變技術(shù)因ITER得到長(zhǎng)足發(fā)展，如高功率的連續(xù)波加熱、遙控機(jī)器人維護(hù)以及材料、大型低溫系統(tǒng)、大型電源……這十年來，中國在聚變的各個(gè)領(lǐng)域都迅速發(fā)展，有些走到了世界前列。”中國工程院院士萬元熙說。

ITER副總干事、中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心原主任羅德隆曾表示：“現(xiàn)在回過頭看，我國當(dāng)時(shí)做出加入ITER計(jì)劃的決定確實(shí)是中央高瞻遠(yuǎn)矚。如果不做這樣的決策，損失一定很大。”

中核集團(tuán)西物院于2020年12月在四川省成都市建成中國環(huán)流三號(hào)（HL-3）。該裝置是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進(jìn)托卡馬克裝置，是我國自主設(shè)計(jì)建造的新一代先進(jìn)磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。

據(jù)了解，中國環(huán)流三號(hào)（HL-3）是實(shí)現(xiàn)我國核聚變能開發(fā)事業(yè)跨越式發(fā)展的重要依托裝置，也是我國消化吸收ITER技術(shù)不可或缺的重要平臺(tái)。未來，它將成為中國攜手世界核聚變能開發(fā)的國際合作平臺(tái)，培養(yǎng)造就一批具有國際水平的核聚變科技領(lǐng)軍人才與高水平的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，形成一批具有國際影響力的標(biāo)志性科技成果。

ITER計(jì)劃總干事彼得羅·巴拉巴斯基近日表示，ITER計(jì)劃近10年的發(fā)展中，中國智慧與力量的貢獻(xiàn)不可小覷。

以開放合作推動(dòng)自主創(chuàng)新

中核集團(tuán)始終堅(jiān)持立足自主創(chuàng)新，加強(qiáng)開放合作，促進(jìn)新形勢(shì)下的國際交流合作，取得了核聚變領(lǐng)域的累累碩果。

中核集團(tuán)不僅承擔(dān)了ITER的一系列設(shè)備材料研制供貨任務(wù)，還與國際原子能機(jī)構(gòu)、法國、德國、俄羅斯等30多個(gè)國際組織和國家的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)建立了合作關(guān)系。

2018年1月，中核集團(tuán)西物院攜手法國原子能委員會(huì)、中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心、中國科學(xué)院等離子體物理研究所共同成立中法聚變聯(lián)合研究中心。中核集團(tuán)西物院堅(jiān)持國際化視野，深入推進(jìn)國際交流合作，依托中法聚變能源中心，發(fā)揮國際合作示范基地作用，近十年來，開展了30余項(xiàng)國際科技合作項(xiàng)目，共派出1100余人次赴境外學(xué)習(xí)交流，外派執(zhí)行海外重點(diǎn)項(xiàng)目人員170余人，外派30余人赴ITER等國際機(jī)構(gòu)任職。

2019年9月，中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體正式與ITER組織簽訂了主機(jī)安裝一號(hào)合同（Tokamak Assembly Contract 1， 以下簡(jiǎn)稱“TAC1”）。中法聯(lián)合體由中國核電工程有限公司牽頭，核工業(yè)西南物理研究院、中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司、中國科學(xué)院等離子體物理研究所、法國法馬通公司五家單位組成。TAC1安裝標(biāo)段工程如同核電站核島里的反應(yīng)堆、人體的心臟，重要性不言而喻。

經(jīng)過約兩年的合作與努力，2021年10月， ITER宣布TAC1聯(lián)合體團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)主機(jī)安裝第一階段任務(wù)，具備吊裝真空容器的條件。全球最大“人造太陽”ITER的“心臟”安裝第一階段成功完成，不僅是中核集團(tuán)向全球核能高端市場(chǎng)邁出的實(shí)質(zhì)性一步，也是中核集團(tuán)開放合作的典型案例。

全球最大“人造太陽”ITER“第一壁”（核聚變中面對(duì)高溫等離子體的一層固體結(jié)構(gòu)）的研制完成，則展現(xiàn)了以中核集團(tuán)西物院為代表的中國核聚變研究，具有強(qiáng)大自主創(chuàng)新能力。

根據(jù)上文所提到的“聚變?nèi)胤e”，要實(shí)現(xiàn)核聚變，其中僅溫度就要達(dá)到1億攝氏度以上的高溫。在托卡馬克裝置中，面向上億攝氏度堆芯的就是“第一壁”，研制難度可想而知。

“這是中國團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的一份高難度任務(wù)。當(dāng)時(shí)世界上滿足ITER第一壁要求的特殊材料只有美國有。”中核集團(tuán)西物院聚變科學(xué)所所長(zhǎng)鐘武律說。

2022年11月，被喻為ITER“防火墻”的增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁完成首件制造。據(jù)介紹，其核心指標(biāo)顯著優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，具備了批量制造條件，標(biāo)志著中國全面突破“ITER增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁”關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)核心科技持續(xù)領(lǐng)跑。中國團(tuán)隊(duì)領(lǐng)先國際完成首件制造，再次為ITER關(guān)鍵部件的研發(fā)取得實(shí)質(zhì)性工程突破。

羅德隆表示，這為我國自主掌握關(guān)鍵技術(shù)、履行國際承諾、展現(xiàn)大國擔(dān)當(dāng)作出了巨大貢獻(xiàn)。

受控核聚變作為中國核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)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(biāo)實(shí)現(xiàn)、促進(jìn)新型能源體系構(gòu)建和保障國家能源安全的關(guān)鍵科技變量。中國聚變?nèi)藢?jiān)定不移推進(jìn)新時(shí)代聚變發(fā)展路線圖，與國際同行攜手攻關(guān)，共赴共圓實(shí)現(xiàn)人類理想清潔能源的終極夢(mèng)想。