再造太陽：“終極能源”初現曙光？

徐乃帥

2023年1月5日，法國，建設中的ITER項目

大地被清新的綠意所覆蓋，天空上是樹狀延伸的恢弘城市，數不清的飛行交通工具穿梭其中；地球成為了人類的理想樂土，饑餓被消滅，戰爭不復存在，人類將視線投向了太空；蒼穹的盡頭，無數龐大的戰艦正在宇宙中巡航，人類的足跡早已踏遍太陽系每一個角落……

這是劉慈欣在其科幻小說《三體II：黑暗森林》中所描繪的未來圖景。在那個尖端物理科技依舊被“智子”所封鎖的年代，人類依靠某個“永動機”般的技術，實現了不可思議的蛻變。

這項技術，名為可控核聚變。

這是科幻作品中最經常出現的概念之一，然而距離人類首次試圖去實現這一技術，迄今已有將近百年。現實與幻想的差距，仿佛是有著一個難以撼動的“永遠的50年”的壁壘。

不過就在近期，隨著一個重磅消息的傳來，可控核聚變技術的應用，似乎終于變得不再那么遙不可及。

2023年12月29日，可控核聚變未來產業推進會在中國成都召開，由中核集團牽頭成立了可控核聚變創新聯合體。會上表示，今年以來，國務院國資委啟動實施未來產業啟航行動，明確可控核聚變領域為未來能源的唯一方向。

“唯一”一詞，無疑令人充滿了遐想。

20世紀50年代，科幻大師艾薩克·阿西莫夫開始了“銀河帝國”系列的寫作。他在其數百萬字的系列作品中，構想人類開啟了恢弘的星際殖民運動，建立了一個統治著2500萬個行星、疆域橫跨十萬光年、總計數兆億人口的龐大帝國—這幾乎是科幻小說對人類命運作出的最浪漫預言。

而彼時的現實世界，二戰硝煙還未散去，冷戰鐵幕已然拉開，世界上大部分地區都還深陷饑餓、貧困之中……在悲觀的現實圖景下，以阿西莫夫為代表的科幻作家們，卻敏銳地捕捉到了某個關鍵的變量：核能。

原子彈在終結二戰的同時，也向世人展示了核能的巨大潛力。當時運用可控核裂變發電的技術，已初現曙光。

寫作于同一年代，科幻大師羅伯特·A.海因萊因的小說《星際迷航》中，燃料不再成為星際探索的枷鎖，人類隨時可以離開擁擠的地球，前往廣袤的星海中遨游。

核能，當之不愧地成為了此類科幻作品最重要的“地基”。

然而現實中，從上世紀60年代到80年代，可控核裂變發電技術趨于成熟，其內在的諸多難題也逐漸浮現出來：原料稀缺、廢料難以處理，其反應過程具有危險性，稍微不慎就能釀成災禍……哪怕是直到現在，全球核電發電比例，也只達到了10%。

很自然地，理論上更安全、清潔、效益更高的可控核聚變技術，成為了如今能源領域的“圣杯”。

最重要的是，核聚變反應的原料可謂是“取之不竭”。以最容易實現的“氘氚聚變”為例，“氘”元素在海水中的儲量約為7乘以10的17次方噸，“氚”則可以通過中子轟擊自然界中廣泛存在的“鋰”元素來產生；同時，“氘氚聚變”的過程正好會釋放出一個中子，可以用于生成“氚”元素。

根據愛因斯坦的質能方程式“E=mc2”，核聚變釋放的能量，可達到核裂變的4倍、燃燒煤和天然氣的400萬倍。

在理想狀態下，每秒只用消耗少于3克重量的反應原料，就能夠支撐起當下全世界的發電量。而地球上反應原料的儲量，即使是用量再大上幾個數量級，直到50億后太陽熄滅的那一天，都不會被耗盡。

電視劇《星際迷航：奇異新世界》劇照

2021年4月28日，安徽合肥，科研人員正在全超導托卡馬克核聚變實驗裝置真空室安裝高場側瓦片

全球核電發電比例，也只達到了10%。

這也就意味著，可控核聚變發電技術一旦真正實現，人類將進入“無限能源”的時代，文明進程將迎來前所未有的飛躍。

屆時，許多科幻小說所構想的未來圖景將成為現實：人類的工業水平將獲得跨越式發展，人類的生活水平將獲得極大提升，所有因能源而產生的爭端都將被暫時擱置，地球上的每一寸土地都將被充分利用。最終，人類的視線將投向宇宙，去擁抱那無盡的星辰大海。

而現在，抱著對美好未來的憧憬，人類正竭盡所能地去取得“圣杯”。

1985年，時任蘇共中央總書記的戈爾巴喬夫向美國發出倡議，簽訂可控核聚變項目的合作研究協議，以減少因爭奪能源可能引發的國際爭端。

以此為伊始，“國際熱核聚變實驗堆計劃”（ITER）成為了全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目。目前，項目的參與者有歐盟、美國、中國、俄羅斯、日本、韓國、印度。

ITER項目的選址，位于法國南部的一個小鎮圣保羅-萊迪朗斯。來自世界各地的頂尖工程師和技術人員，鼎力合作，計劃在2025年完成全球上最大的“人造太陽”實驗項目的初步建設。

之所以被稱為“人造太陽”，是因為核聚變的原理，和太陽內部的情況極為相似：在高溫之下，氘和氚反應產生氦和中子，并釋放出大量能量。另一方面來說，太陽是地球上幾乎所有能源的直接或間接來源，“人造太陽”代表著人類從更多維度上獲取能源的偉大嘗試。

大道至簡，然而再造一個“太陽”，需要鬼斧神工般的精密雕琢。

首先，核聚變需要在極端高溫高壓的條件下才能發生。現階段人類無法模擬出太陽內部那樣的高壓環境，而在常壓情況下，反應的溫度需要達到1.5億攝氏度，即太陽核心溫度的10倍。

在成功達到1.5億度的高溫后，“容器”成為了最難解決的問題。在人類已知的物質中，熔點最高的也僅有4215℃。

幾十年來，科學家論證、嘗試了無數“容器”，確認了“托卡馬克裝置”是最可靠的一種方案：該裝置的目標是通過制造強大的磁場，將變成“等離子體”的反應原料“磁約束”在裝置內部的真空內腔中，在精密的控制下，保證反應物不會直接和“容器”接觸。

而ITER正在制造的“托卡馬克裝置”，正是一個包含近百萬個組件、總重2.3萬噸的龐然大物，重量相當于3個半埃菲爾鐵塔。

為了保證性能，在找到更好的超導材料之前，“托卡馬克裝置”外部的超導磁體需要在接近絕對零度的-270℃（液氦溫度）環境下運行—相比裝置內部的1.5億度，這是真正“冰火兩重天”般的溫差。

毫無疑問，這將會是一個凝聚了人類文明最尖端智慧的“科技奇觀”。

據推算，ITER項目估計已累計投入超過600億歐元，是最燒錢的國際科研合作項目之一。

但在另一方面，縱然ITER被全人類寄予厚望，它也不可能不受到現實環境的影響。由于經濟、政治等因素，ITER曾多次被迫延期甚至停擺。而按照ITER的目前的時間表，它需要等到2035年才能真正開始實驗。

在世界經濟整體低迷、區域沖突持續不斷的當下，ITER項目能否在這十幾年間順利進行，實則頗為令人擔憂。

值得一提的是，在ITER項目前景尚未明朗的2023年，可控核聚變技術依然取得了許多重大進展。

2023年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）宣稱，在不同于“托卡馬克裝置”的另一條路徑上，多次實現了可控核聚變的“點火”（即實現了能量的凈增益）。項目的首席女科學家安妮·克里徹憑借這一里程碑式的成就，成功入選《自然》雜志年度十大科學人物。

科學家安妮·克里徹（右）

核聚變釋放的能量，可達到核裂變的4倍、燃燒煤和天然氣的400萬倍。

“人造太陽”代表著人類從更多維度上獲取能源的偉大嘗試。

新一代人造太陽“中國環流三號”

該點火裝置總花費約40億美元，包含了6萬個高科技組件。許多數十噸重的設備，安裝誤差必須小于100微米；設備運行時需要在長達1公里的廠房內，讓92門激光在1納秒內同時發射。

2023年4月，中國的“東方超環”全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）穩態運行時間達到了403秒，突破了此前同樣是它創下的101秒的紀錄；幾乎同時，韓國聚變能源研究院宣布，該國的托卡馬克試驗裝置，已成功維持高達1億度的高溫等離子體達到20秒，創造了新的世界紀錄。

新技術發展過程中，每一個技術細節的研究迭代、每一秒維持時間的延長，都需要人類付出超乎想象的努力。

8月，新一代人造太陽“中國環流三號”首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。12月，負責該研究裝置的核工業西南物理研究院與ITER簽署協議，宣布“中國環流三號”面向全球開放，分享相關研究成果，并邀請全世界科學家來中國集智攻關。

經過這些年的追趕，中國事實上走在了全球前列。

2018年，中國聚變工程實驗堆（CFETR）落地合肥，計劃于2035年建成中國最大的聚變工程實驗堆，并啟動實驗，然后于2050年實現可控核聚變的商業應用。

這個時間表，某種意義上正好和ITER形成了競爭關系。而此次可控核聚變領域，被中國確定為未來能源的唯一方向，以及可控核聚變創新聯合體成立的相關消息，猶如撥云見日，給該領域的研究注入了一針強心劑。

“唯一方向”意味著，中國將發揮自身的各項優勢，毫不猶豫地加大研究投入，集中力量攻克技術難關。

隨著相關研究的持續推進，這兩年間，不少國家紛紛推出了自己的可控核聚變研究計劃，將原有的時間表大幅度提前。同時，國內外民間資本也開始關注并涌入這一嶄新的“賽道”，在部分研究項目的宣傳中，甚至將實現商業化可控核聚變的時間定在了2030年—其是否可靠姑且不論，從全人類發展的角度來講，這種內卷的趨勢，或依舊是一件值得鼓勵的事情。

在科研領域，想找到那條正確的道路，必然要經歷無數次的“試錯”。因此，人類什么時候才能真正駕馭“人造太陽”，目前尚無確切的說法。但“永遠的50年”這一魔咒或已破除，曙光已然顯現，正如“托卡馬克裝置”之父、蘇聯物理學家阿齊莫維奇所說過的那樣—

“當整個社會都需要的時候，聚變就會實現。”

責任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com