人類距離可控核聚變還有多遠,？“人造太陽”：能源自由的愿景

中國環(huán)流三號建成后取得的主要成果

資料來源：中國科學院合肥物質(zhì)科學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”實驗裝置,，承載起人類邁向能源自由的夢想,。近期，我國托卡馬克核聚變實驗裝置取得重大成果：新一代“人造太陽”中國環(huán)流三號（HL—3）實現(xiàn)等離子體電流1.6兆安,，達到國際領先水平,，等離子體電流、聚變“三乘積”等核心參數(shù)再上新臺階,；東方超環(huán)（EAST）首次實現(xiàn)1066秒長脈沖高約束模等離子體運行,，再次創(chuàng)造了托卡馬克裝置新的世界紀錄。本期“瞰前沿”聚焦國內(nèi)外“人造太陽”的最新研究進展,，看看人類距離可控核聚變還有多遠,。

——編者

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

萬物生長靠太陽,。太陽之所以能發(fā)光發(fā)熱，是因為內(nèi)部的核聚變反應,。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,，是人類理想的未來能源,。如果能造一個“太陽”來發(fā)電，人類有望實現(xiàn)能源自由,。

2024年,，科技部、工業(yè)和信息化部,、國務院國資委等七部門聯(lián)合發(fā)布《關于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》,，指出加強推進以核聚變?yōu)榇淼奈磥砟茉搓P鍵核心技術攻關。實現(xiàn)聚變能源應用是我國核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略的最終目標,。

可控核聚變作為典型的前沿性,、顛覆性技術，未來一旦實現(xiàn)應用,，將徹底改變世界能源格局,，保障我國未來能源安全。

“人造太陽”從“核”而來

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，讓人類認識到氘氚核聚變反應的巨大能量,。但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應,，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現(xiàn)人工控制下的核聚變反應（即可控核聚變）,，希望利用太陽發(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驗裝置稱為“人造太陽”。

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

然而,，“人造太陽”維持自身燃燒的條件非?？量獭Ｓ茖W家勞遜在20世紀50年代研究了這一條件的門檻——也被稱為聚變點火條件,。據(jù)計算,，實現(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，國際上探索了眾多核聚變路線,。目前,，實現(xiàn)核聚變反應主要有引力約束、磁約束、慣性約束3種方式,。太陽因本身質(zhì)量巨大,，可通過巨大引力，在極端高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生引力約束核聚變反應,。而在地球上，實現(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間內(nèi)實現(xiàn)核聚變點火燃燒,。采用強磁場約束等離子體的方法把核聚變反應物質(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鍵

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

托卡馬克最初是由蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發(fā)明的,，是一種利用磁場約束帶電粒子來實現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器,。當前，世界上建成并運行了超過50個不同規(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。目前中國運行的托卡馬克主要包括常規(guī)托卡馬克和球形托卡馬克,。

自托卡馬克開展實驗以來,，等離子體綜合參數(shù)不斷提升，“三乘積”提升了幾個數(shù)量級,，逐漸趨近點火條件,。歐洲的JET與美國的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鍵，實現(xiàn)該目標主要有五大類問題需要解決,。

一是等離子體非感應電流驅(qū)動問題,。等離子體電流由歐姆驅(qū)動電流和非感應驅(qū)動的電流組成。歐姆驅(qū)動電流是基于變壓器原理，通過等離子體外部線圈電流變化感應而來的,。對于非感應電流驅(qū)動,，一部分可以通過外部的高功率微波和中性粒子束注入來驅(qū)動，另一部分則來自等離子體自身壓強梯度產(chǎn)生的“自舉電流”,，實驗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,。同時堆芯等離子體聚變反應,，會產(chǎn)生大量的氦，也被稱為氦灰,。氦灰容易堆積在芯部，導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題,。聚變堆運行期間,，一些攜帶高能量的粒子可能突破磁場的約束，撞擊在聚變裝置的內(nèi)部部件上,，對這些部件材料造成威脅。同時,，如果聚變堆運行期間發(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3.5百萬電子伏特能量）的別稱,。目前,，由于長期缺乏合適的實驗平臺開展相關實驗，燃燒等離子體阿爾法粒子物理研究深度還不夠,，相關的科學問題還需要在氘氚聚變實驗裝置上進一步驗證,。

五是大尺度磁流體不穩(wěn)定性和大破裂控制問題,。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”會在不同程度上破壞核聚變反應的安全穩(wěn)定運行,。

探索交叉領域

人工智能嶄露頭角

近年來,，為開展“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”問題的研究，國際上各大裝置實驗向著更高參數(shù)邁進,。我國的中國環(huán)流系列,、東方超環(huán)等可控核聚變裝置運行不斷取得突破，如國內(nèi)當前規(guī)模最大,、參數(shù)能力最高的中國環(huán)流三號首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流高約束模運行,，創(chuàng)造我國磁約束聚變裝置運行紀錄。2023年在歐盟與日本合建的當前規(guī)模最大托卡馬克JT—60SA上也實現(xiàn)了100萬安培等離子體放電,。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行紀錄,。

近年來,，人工智能在可控核聚變研究領域展現(xiàn)出強大的賦能作用。深度學習,、擴散模型等前沿技術被應用于高精度等離子體模擬程序的加速計算等場景,，帶來技術突破。

2019年,，哈佛大學與普林斯頓等離子體物理實驗室的研究團隊,，使用在美國運行的DIII—D托卡馬克裝置上訓練出的深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型，以超過90%的正確率預警了JET裝置的破裂事件,。2022年,，谷歌旗下DeepMind團隊與瑞士聯(lián)邦理工學院合作使用強化學習智能體在TCV托卡馬克上實現(xiàn)了限制器、常規(guī)偏濾器,、先進偏濾器甚至雙環(huán)等離子體位形的控制,。2024年，韓國中央大學與普林斯頓等離子體物理實驗室的研究團隊使用深度學習方法,，在KSTAR與DIII—D托卡馬克上成功預測了撕裂模不穩(wěn)定性的增長概率,，并結合強化學習算法，在提升等離子體比壓的同時對撕裂模增長概率進行控制,。

國內(nèi)機構,、高校也在聚變與人工智能交叉領域開展了大量探索。中核集團核工業(yè)西南物理研究院將破裂預測,、平衡反演代理模型,、邊緣局域模實時識別與控制等人工智能模塊應用于核聚變裝置的控制運行，有效解決了部分控制問題,。

展望未來,，可控核聚變一旦實現(xiàn)應用，將為人類提供豐富,、清潔的理想能源,。科幻中的未來科技,，或許能在可控核聚變的支撐下成為現(xiàn)實,。

（作者為中核集團核工業(yè)西南物理研究院聚變科學所所長）

■鏈接

中國環(huán)流三號

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

中國環(huán)流三號2020年建成后,，多次刷新我國可控核聚變裝置運行新紀錄。2023年12月,，中核集團核工業(yè)西南物理研究院與國際熱核聚變實驗堆（ITER）總部簽署協(xié)議,，宣布中國環(huán)流三號作為ITER衛(wèi)星裝置面向全球開放。

東方超環(huán)

東方超環(huán)（圖四）是我國自主研發(fā)的世界上首個全超導托卡馬克核聚變實驗裝置,。該裝置由中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所自主設計,、研制，擁有完全知識產(chǎn)權,。

東方超環(huán)基于磁約束核聚變原理工作,。近年來，東方超環(huán)在等離子體的參數(shù)如溫度,、密度,、持續(xù)放電時間上不斷取得突破。東方超環(huán)的建設和投入運行為世界穩(wěn)態(tài)近堆芯聚變物理和工程研究搭建起一個重要的實驗平臺,，使我國成為世界上第一個掌握新一代先進全超導托卡馬克技術的國家,。