人類距離可控核聚變還有多遠(yuǎn),？“人造太陽(yáng)”：能源自由的愿景

中國(guó)環(huán)流三號(hào)建成后取得的主要成果

資料來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所

圖三

圖四

地球上的石油、煤等化石能源耗盡后,，人類靠什么生活,？一種被稱為“托卡馬克”的“人造太陽(yáng)”實(shí)驗(yàn)裝置,，承載起人類邁向能源自由的夢(mèng)想。近期,，我國(guó)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置取得重大成果：新一代“人造太陽(yáng)”中國(guó)環(huán)流三號(hào)（HL—3）實(shí)現(xiàn)等離子體電流1.6兆安,，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,，等離子體電流、聚變“三乘積”等核心參數(shù)再上新臺(tái)階,；東方超環(huán)（EAST）首次實(shí)現(xiàn)1066秒長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行,，再次創(chuàng)造了托卡馬克裝置新的世界紀(jì)錄。本期“瞰前沿”聚焦國(guó)內(nèi)外“人造太陽(yáng)”的最新研究進(jìn)展,，看看人類距離可控核聚變還有多遠(yuǎn),。

——編者

“一團(tuán)耀眼的白光從山脈盡頭升起……”在科幻小說(shuō)《三體》中，太空飛船核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的光芒如同太陽(yáng),。利用核聚變等技術(shù),，人類走出地球家園，走向廣袤宇宙,。

萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。太陽(yáng)之所以能發(fā)光發(fā)熱,，是因?yàn)閮?nèi)部的核聚變反應(yīng),。核聚變能具有資源豐富、環(huán)境友好,、固有安全等突出優(yōu)勢(shì),，是人類理想的未來(lái)能源。如果能造一個(gè)“太陽(yáng)”來(lái)發(fā)電,，人類有望實(shí)現(xiàn)能源自由,。

2024年，科技部,、工業(yè)和信息化部,、國(guó)務(wù)院國(guó)資委等七部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》，指出加強(qiáng)推進(jìn)以核聚變?yōu)榇淼奈磥?lái)能源關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),。實(shí)現(xiàn)聚變能源應(yīng)用是我國(guó)核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略的最終目標(biāo),。

可控核聚變作為典型的前沿性、顛覆性技術(shù),，未來(lái)一旦實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,，將徹底改變世界能源格局，保障我國(guó)未來(lái)能源安全,。

“人造太陽(yáng)”從“核”而來(lái)

用1升水“釋放”燃燒300升汽油的能量

核聚變是將較輕的原子核聚合反應(yīng)而生成較重的原子核,，并釋放出巨大能量。

1952年,，世界上第一顆氫彈成功試爆,，讓人類認(rèn)識(shí)到氘氚核聚變反應(yīng)的巨大能量。但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應(yīng),，不能提供穩(wěn)定的能源輸出,。從此,，人類便致力于在地球上實(shí)現(xiàn)人工控制下的核聚變反應(yīng)（即可控核聚變），希望利用太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的原理,，為人類鋪展能源自由之路,。因此，人們也將可控核聚變研究的實(shí)驗(yàn)裝置稱為“人造太陽(yáng)”,。

氘氚聚變作為能源,，具有明顯優(yōu)勢(shì)。首先,，氘氚聚變所需燃料在地球上的儲(chǔ)量極為豐富,。氘大量存在于水中，每升水可提取出約0.035克氘,，通過(guò)聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量,；氚可通過(guò)中子轟擊鋰來(lái)制備，在地殼,、鹽湖和海水中,，鋰大量存在。其次,，氘氚聚變反應(yīng)不產(chǎn)生有害氣體,，無(wú)高放射性活化物，對(duì)環(huán)境友好,。

然而,，“人造太陽(yáng)”維持自身燃燒的條件非常苛刻,。英國(guó)科學(xué)家勞遜在20世紀(jì)50年代研究了這一條件的門檻——也被稱為聚變點(diǎn)火條件,。據(jù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)可觀的氘氚聚變等離子體離子溫度要大于1億攝氏度,，等離子體密度,、溫度和等離子體能量約束時(shí)間的乘積（“三乘積”）大于5×1021千電子伏特·秒/立方米。

數(shù)十年來(lái),，國(guó)際上探索了眾多核聚變路線,。目前，實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)主要有引力約束,、磁約束,、慣性約束3種方式。太陽(yáng)因本身質(zhì)量巨大,，可通過(guò)巨大引力,，在極端高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生引力約束核聚變反應(yīng)。而在地球上，實(shí)現(xiàn)可控核聚變主要有磁約束核聚變,、激光慣性約束核聚變兩種方式,。激光慣性約束核聚變可以采用激光作為驅(qū)動(dòng)器壓縮氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等離子體的慣性約束時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火燃燒,。采用強(qiáng)磁場(chǎng)約束等離子體的方法把核聚變反應(yīng)物質(zhì)控制在“磁籠子”里面,，就是磁約束核聚變。

道路依舊充滿挑戰(zhàn)

“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關(guān)鍵

在眾多技術(shù)途徑中,，托卡馬克是通過(guò)等離子體電流和外部磁體線圈產(chǎn)生的螺旋磁場(chǎng)約束聚變?nèi)剂想x子,，被認(rèn)為有望率先實(shí)現(xiàn)聚變能源的應(yīng)用，也是目前全球研發(fā)投入最大,、最接近核聚變點(diǎn)火條件,、技術(shù)發(fā)展最成熟的途徑。

托卡馬克最初是由蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的,，是一種利用磁場(chǎng)約束帶電粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器,。當(dāng)前，世界上建成并運(yùn)行了超過(guò)50個(gè)不同規(guī)模的托卡馬克裝置,，不同托卡馬克裝置的幾何尺寸,、等離子體約束性能等也各有不同。目前中國(guó)運(yùn)行的托卡馬克主要包括常規(guī)托卡馬克和球形托卡馬克,。

自托卡馬克開(kāi)展實(shí)驗(yàn)以來(lái)，等離子體綜合參數(shù)不斷提升,，“三乘積”提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí),，逐漸趨近點(diǎn)火條件。歐洲的JET與美國(guó)的TFTR裝置上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—2023年，JET創(chuàng)造了69兆焦耳聚變能輸出的世界紀(jì)錄,。

托卡馬克磁約束核聚變研究雖然不斷取得突破,，但前方的道路依舊充滿挑戰(zhàn)。堆芯等離子體“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關(guān)鍵,，實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)主要有五大類問(wèn)題需要解決,。

一是等離子體非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。等離子體電流由歐姆驅(qū)動(dòng)電流和非感應(yīng)驅(qū)動(dòng)的電流組成,。歐姆驅(qū)動(dòng)電流是基于變壓器原理,，通過(guò)等離子體外部線圈電流變化感應(yīng)而來(lái)的。對(duì)于非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng),，一部分可以通過(guò)外部的高功率微波和中性粒子束注入來(lái)驅(qū)動(dòng),，另一部分則來(lái)自等離子體自身壓強(qiáng)梯度產(chǎn)生的“自舉電流”，實(shí)驗(yàn)上希望等離子體自己提供的這部分電流份額越高越好,。

二是加料與排灰問(wèn)題,。聚變等離子體被約束在真空室內(nèi),，形成一種類似“甜甜圈”的形狀。在“甜甜圈”環(huán)向軸中心位置附近的等離子體密度和溫度最高,，越往邊界參數(shù)越低,。傳統(tǒng)加料方式注入的中性氣體氘和氚，難以深入等離子體芯部,，其燃燒效率難以提高,。同時(shí)堆芯等離子體聚變反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生大量的氦,，也被稱為氦灰,。氦灰容易堆積在芯部，導(dǎo)致等離子體性能退化,，甚至引發(fā)等離子體熄滅,。

三是等離子體與材料相互作用問(wèn)題。聚變堆運(yùn)行期間,，一些攜帶高能量的粒子可能突破磁場(chǎng)的約束,，撞擊在聚變裝置的內(nèi)部部件上，對(duì)這些部件材料造成威脅,。同時(shí),，如果聚變堆運(yùn)行期間發(fā)生的粒子與材料相互作用在等離子體邊緣產(chǎn)生大量雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)稀釋燃料離子的濃度,，使聚變等離子體性能顯著下降,，聚變功率難以穩(wěn)定維持。

四是阿爾法粒子物理問(wèn)題,。阿爾法粒子是氘氚聚變的帶電粒子產(chǎn)物氦（攜帶3.5百萬(wàn)電子伏特能量）的別稱,。目前，由于長(zhǎng)期缺乏合適的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn),，燃燒等離子體阿爾法粒子物理研究深度還不夠,，相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題還需要在氘氚聚變實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)一步驗(yàn)證。

五是大尺度磁流體不穩(wěn)定性和大破裂控制問(wèn)題,。聚變等離子體中還存在大量的不穩(wěn)定性,，這些“不穩(wěn)定性因素”會(huì)在不同程度上破壞核聚變反應(yīng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

探索交叉領(lǐng)域

人工智能嶄露頭角

近年來(lái),，為開(kāi)展“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”問(wèn)題的研究,，國(guó)際上各大裝置實(shí)驗(yàn)向著更高參數(shù)邁進(jìn)。我國(guó)的中國(guó)環(huán)流系列,、東方超環(huán)等可控核聚變裝置運(yùn)行不斷取得突破,，如國(guó)內(nèi)當(dāng)前規(guī)模最大、參數(shù)能力最高的中國(guó)環(huán)流三號(hào)首次實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)安培等離子體電流高約束模運(yùn)行，創(chuàng)造我國(guó)磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄,。2023年在歐盟與日本合建的當(dāng)前規(guī)模最大托卡馬克JT—60SA上也實(shí)現(xiàn)了100萬(wàn)安培等離子體放電,。2025年1月，東方超環(huán)創(chuàng)造了1066秒的高約束模等離子體運(yùn)行紀(jì)錄,。

近年來(lái),，人工智能在可控核聚變研究領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的賦能作用。深度學(xué)習(xí),、擴(kuò)散模型等前沿技術(shù)被應(yīng)用于高精度等離子體模擬程序的加速計(jì)算等場(chǎng)景,，帶來(lái)技術(shù)突破。

2019年,，哈佛大學(xué)與普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì),，使用在美國(guó)運(yùn)行的DIII—D托卡馬克裝置上訓(xùn)練出的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以超過(guò)90%的正確率預(yù)警了JET裝置的破裂事件,。2022年,，谷歌旗下DeepMind團(tuán)隊(duì)與瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院合作使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體在TCV托卡馬克上實(shí)現(xiàn)了限制器、常規(guī)偏濾器,、先進(jìn)偏濾器甚至雙環(huán)等離子體位形的控制,。2024年，韓國(guó)中央大學(xué)與普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)使用深度學(xué)習(xí)方法,，在KSTAR與DIII—D托卡馬克上成功預(yù)測(cè)了撕裂模不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)概率,，并結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，在提升等離子體比壓的同時(shí)對(duì)撕裂模增長(zhǎng)概率進(jìn)行控制,。

國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu),、高校也在聚變與人工智能交叉領(lǐng)域開(kāi)展了大量探索。中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院將破裂預(yù)測(cè),、平衡反演代理模型、邊緣局域模實(shí)時(shí)識(shí)別與控制等人工智能模塊應(yīng)用于核聚變裝置的控制運(yùn)行,，有效解決了部分控制問(wèn)題,。

展望未來(lái)，可控核聚變一旦實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,，將為人類提供豐富,、清潔的理想能源?？苹弥械奈磥?lái)科技,，或許能在可控核聚變的支撐下成為現(xiàn)實(shí)。

（作者為中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所所長(zhǎng)）

■鏈接

中國(guó)環(huán)流三號(hào)

中國(guó)環(huán)流三號(hào)（圖三）是目前我國(guó)規(guī)模最大,、參數(shù)最高的托卡馬克裝置,，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行，裝置總高8.39米,，直徑8米,，等離子體離子溫度可達(dá)1.5億攝氏度。

中國(guó)環(huán)流三號(hào)2020年建成后,，多次刷新我國(guó)可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄,。2023年12月，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）總部簽署協(xié)議,，宣布中國(guó)環(huán)流三號(hào)作為ITER衛(wèi)星裝置面向全球開(kāi)放,。

東方超環(huán)

東方超環(huán)（圖四）是我國(guó)自主研發(fā)的世界上首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置由中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所自主設(shè)計(jì),、研制,，擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

東方超環(huán)基于磁約束核聚變?cè)砉ぷ?。近年?lái),，東方超環(huán)在等離子體的參數(shù)如溫度、密度,、持續(xù)放電時(shí)間上不斷取得突破,。東方超環(huán)的建設(shè)和投入運(yùn)行為世界穩(wěn)態(tài)近堆芯聚變物理和工程研究搭建起一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使我國(guó)成為世界上第一個(gè)掌握新一代先進(jìn)全超導(dǎo)托卡馬克技術(shù)的國(guó)家,。