中國人造太陽技術閃耀，終極能源指日可待？

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導讀：中國“人造太陽”宣布實現了等離子體電流突破100萬安培，這是繼實現了1056秒的長脈沖高參數等離子體運行后，再次刷新世界托卡馬克裝置核聚變技術新記錄，讓中國核聚變技術走向了世界前列。

中國EAST全超導托卡馬克裝置

一、核聚變技術變出“人造太陽”

核聚變的基本原理是輕原子核結合成較重原子核時放出巨大能量，即氘和氚反應生成氦（氘+氚=氦（3.5Mev）+中子（14.1Mev）、中子+鋰=氚+氦+4.8Mev），該過程就能夠提供大量的能量。核聚變對反應條件要求非常苛刻，太陽就是靠核聚變反應來給太陽系帶來光和熱。

核聚變反應

而“人造太陽”就是人類基于上述反應原理，制造的一種能夠提供核聚變環境的裝置。實際上，人類發明的氫彈就是采用了核聚變反應，只不過氫彈爆炸產生的能量不可控。人造太陽必須采用“可控”核聚變，才能讓核聚變反應產生供人類可用的能量。

前蘇聯阿齊莫維齊等人所發明的裝置——托卡馬克，意思是“帶有磁場線圈的環形真空室”。其結構主要包括中心螺線管、極向線圈、環向線圈、環形真空室以及其他輔助系統。

托卡馬克示意圖

相比之下，中國人造太陽技術最早可追溯至1960年，技術引進后又于1993年建造了HT-7托卡馬克核聚變裝置。在此基礎上，中國最新研發出“HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置”，也被稱作EAST裝置，采用磁約束實現對離子的控制，該裝置的成功運行標志著我國在托卡馬克核聚變堆領域達到國際領先水平。

中國EAST裝置

二、“人造太陽”面臨諸多挑戰

1.挑戰進行氚控制

核聚變反應大的核心就是氚的控制，在反應過程需要保證反應消耗和生成的氚在相當的比例，才能保證該過程的穩定運行。這就需要在核聚變中精確控制輸入，能夠準確地探測氚反應情況，從而滿足穩定運行的控制要求，這一問題是國際難題，也反映了核聚變技術水平。其中，我國達到1065s已經是世界最領先水平。

EAST主體結構圖

2.挑戰進行反應防護

在核聚反應中，第一壁的工作條件最為苛刻，等離子、中子帶有大量能量撞擊將會產生不可修復的破壞。同時，第一壁還要防止輻射泄漏，避免內部中子射出與其他物資反應輻射。我國采用鎢金屬作為第一壁，并且用主動冷卻技術最大程度保證第一壁的安全性。

3.挑戰實現能量增益

能量增益是指在人類進行核聚變反應中，投入激發核聚變反應的能量和核聚變反應產生的能量的差額，實際上就是能源的轉化效率，只有達到正收益核聚變才能具備應用的價值，人們才能將核聚變轉化成真正的能源。

EAST 內部真空室結構圖

三、“人造太陽”關鍵技術有哪些

1.磁面位形控制

磁面位形是EAST穩態運行的關鍵，磁面位形控制精度直接影響等離子和第一壁的作用情況，也會影響偏慮器靶板的熱負荷。計算機控制系統能夠重建離子體磁面位形, 根據實時情況顯示控制誤差并反饋進行控制調整，快速和精確的實現控制。

EAST開發了一種GPU并行等離子體反演程序P-EFIT，該技術能夠在220us內完成65×65格點的一次平衡迭代計算，迭代速度更快，精度更高，滿足實時平衡重建的要求。

P-EFIT算法的位形對比

EAST還研發的新一代積分器，能夠避免出現長時間積分零點漂移。該積分器能夠診斷輸入信號的準確性, 從而進一步提升了磁面控制的精確性。

等離子放電效果圖

2.等離子密度控制

核聚變反應的基本條件就是控制等離子密度，采用超聲分子束注入密度控制技術，能夠高速定向的注入真空室內部，其中，通過Laval噴射膨脹能夠形成超聲速分子束流，并且高速射流能夠達到芯部。同時，液氦低溫泵具備速度快、響應及時的特點，能夠配合超聲分子束注入燃料粒子，實現穩定的等離子密度控制效果。（下圖123456依次為：磁屏蔽、液氮冷阱、電磁閥、噴嘴、液氮管道、高壓氣源）

超聲分子束注入裝置

3.偏濾器需耐極高熱負荷

偏濾器能夠控制主等離子體與裝置第一壁直接相撞，但其在受到高約束長脈沖運行表面將受到極高熱負荷。鎢金屬是當前最適合用于第一壁的金屬材料，由于其具備良好的抗中子活性、機械強度、熱傳導率。

EAST采用了鎢銅偏濾器，將兩個鎢平板之間放一塊銅過渡層，形成靶板的基本結構。利用熱等靜壓技術，通過電子束焊將靶板接到熱沉。熱沉內含冷卻水管通道，最大程度減低偏濾器表面溫度。

鎢銅偏濾器示意圖

四、 “人造太陽”未來應用展望

可控核聚變技術是未來能源的終極解決方案，若該技術獲得商業化的應用，將直接改變人類的能源格局。根據當前可控核聚變技術規劃，目前共劃分成四個技術階段：

1.試驗平臺上開展深入研究

EAST試驗裝置將是未來幾年最為先進的試驗平臺，能夠在此基礎上開展前沿性的技術研究，為未來下一階段試驗堆提供理論支持。

2.逐步建成試驗堆

預計2025年建成，ITER國際試驗平臺將會開展更為先進的技術研究，開展D-T穩態燃燒等離子體試驗，穩態長脈沖燃燒等離子體等挑戰任務，為下一步工程應用提供支持。

3.推進工程堆建設

預計2030年建成，CFETR工程堆將發揮將理論研究轉化成工程成果的效果，再次突破應用邊界，將在工程化的要求開展技術研究，為全面商業化開展小型化的應用示范。

4.完成原型電站建設

預計2050年建成，PFPP原型電站簡稱改為商業化運行的電站，能夠安全可靠高效地并網，在人類能源結構中發揮重要作用。

可控核聚變技術規劃圖

結語：

核聚變研究水平是國家綜合技術實力的一種體現。超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫、超高真空等極限環境對技術能力提出了新挑戰，也是未來科學技術的重要發展方向。已達到國際領先水平的國產設備未來也將在核聚變的運行時間和能量增益實現新的突破。

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