中國“人造太陽”離“點火”還差多遠？

出品|網易新聞

導語：被稱為“新一代人造太陽”的“中國環流三號”（HL-2M）托卡馬克裝置，于8月25日首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。再次刷新我國磁約束聚變裝置運行紀錄，100萬安培電流是個什么概念？有怎樣的關鍵意義？

新一代人造太陽“中國環流三號”

一、核裂變和核聚變有什么區別？

比如一個電燒水壺是2200W，它的電流為2200/220=10A，那么，1000萬安培相當于100萬只同時燒水時的電流大小。達到100萬安培這個數值，標志著我國“人造太陽”向著核聚變點火又邁出了重要一步。

核聚變，是一種核反應的形式，即輕原子核(例如氘和氚)結合成較重原子核(例如氦)時放出巨大能量的過程。在不加約束的情況下，核聚變往往是劇烈而不可控的。長期以來，實現可控核聚變，為人類的發展提供源源不斷的能源是人們的愿景。

相較于核裂變，普通人對核聚變的了解程度可能更低，甚至還經常理不清這兩者的關系。

如果說通過分裂重原子核來產生能源的核裂變，是將原本完整的鏡子打碎，那么核聚變可以說恰恰相反，其產生能源的方式是將打碎的鏡子復原，通過“破鏡重圓”來釋放能量。

核裂變與核聚變的區別示意圖

我們都知道，愛因斯坦有個著名的質能方程E=mc2。當一個重原子分裂為兩個輕原子時（核裂變），或兩個輕原子融合為一個重原子時（核聚變），反應的過程會產生一點點的質量虧損，而這損失的一點點物質會變成巨大的能量釋放出來，這能量究竟有多大呢？——光速的平方倍。

太陽內部便每時每刻都在發生著類似的核聚變反應，從而源源不斷地發出光和熱。

二、擋在核聚變點火前面的“三座大山”

核聚變點火作為實現可控核聚變的關鍵步驟，是實現可控核聚變的前提和基礎。如今，實現核聚變點火這一目標，正在逐漸走向現實。

英國物理學家勞森在上世紀50年代提出了著名的“勞森判據”，即當核聚變反應的能量產出率大于能量損耗率，并且有足夠能量使核聚變反應穩定持續時，通常意味著核聚變點火成功。

溫度、密度、約束時間這三個參數的乘積，即所謂聚變三乘積大小的判斷，燃料的離子溫度、等離子體密度和能量約束時間是核聚變裝置點火的關鍵性參數，三個參數成為點火的關鍵。翻越三座大山，提高三乘積才能讓可控核聚變走向現實。

而在磁約束核聚變裝置中，上述三個參數中的等離子體密度和能量約束時間恰恰與等離子體電流成正比。“等離子體電流越高，等離子體密度和能量約束時間這兩個參數就越高，就可以更加接近點火要求的聚變三乘積。”

極輕的核（或粒子）在反應過程中質量并不守恒，有一部分參與聚變的原子核物質被轉化為了能量。其轉化比例遠超重核變化為輕核的核裂變反應，根據質能方程，這一能量十分巨大。

兩個輕核形成一個重核與一個粒子

兩個輕核在正常狀態下一旦靠近會因為電荷而互相排斥。不過，一旦溫度夠高形成原子核與電子分開的等離子體，且體系的約束力夠強，就能使核力（作用于原子質子和中子之間的力，但僅作用于極小范圍內）發揮作用，打破電荷斥力的影響產生重核，并釋放大量能量。

若核子密度夠高、運動夠快、反應持續時間夠長，則輕核互相接近的幾率越大，達到某一臨界點后即可產生可持續的核聚變反應。因此產生核聚變反應的重要條件是創造環境，對反應的等離子體產生足夠的溫度、密度和維持時間。

太陽內部的溫度僅有約1500萬攝氏度，但其超高的壓強和約束時間使得聚變反應容易產生。根據英國物理學家勞森在1957年的推導，在托卡馬克裝置內，要想使得核聚變反應“有利可圖”（即輸出能量超過輸入能量），氘氚反應必須在約1.5億攝氏度的等離子體溫度前提下，讓等離子體的密度與約束時間的乘積至少達到10的22次方級別。

三、托卡馬克穩定運行，等離子體電流必須超過1兆安

托卡馬克裝置最初由蘇聯于1950年代提出并制造，名字是俄語中環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）的結合。

托卡馬克裝置示意圖

托卡馬克裝置的結構都大同小異。主要容器是一個環形的真空室，外面纏繞多組線圈。真空室內充入一定量反應氣體，在預電離等手段的作用下產生少量離子，然后通過感應或者微波注入等方式，激發并維持一個強大的環形等離子體電流。這個等離子體電流與外面的線圈電流一起形成一個螺旋形磁場，反應過程中外層的等離子體被卷在螺旋形磁力線上不溢出，就能夠將高溫等離子體封閉，使其與外界盡可能地絕熱。在確保等離子體被約束的前提下，等離子體不斷通過中性束、電子/離子共振等手段加熱到上億度的高溫，以達到核聚變反應的條件。

采用磁約束的根本原因是地球上沒有任何材料可以直接承受反應中心上億度的高溫，反應過程中高溫等離子體會飛散開來，太陽內部利用巨大的重力進行約束。為了避免超過1億攝氏度的等離子體飛濺損壞材料，必須使用超高電流產生的“磁籠”將等離子體束縛住：電流越大，產生的磁場越強，能夠更好地束縛和壓縮等離子體，有利于形成更大的等離子體密度。此外，電流裝置可能采用超導方案，以避免超高電流的附帶問題。

四、中國“人造太陽”離“點火”還差多遠？

數十年中，國內外的托卡馬克裝置一直在努力突破提高三乘積這三座大山，在等離子體溫度約為1.6億攝氏度的前提下，相對最容易實現工程化。最先進的聚變試驗堆已經達到了這個溫度，但在等離子體密度和維持時間上距離“點火條件”還存在著一定的差距。

等離子體在環形磁場內運行

作為我國最新一代托卡馬克裝置“環流3號”由之前的HL-2M更名而來，屬于中型核聚變研究裝置，是HL-2A經過改造升級后的產物，于2020年建成并投入試驗。改造后的HL-2M擁有了更先進的結構與控制方式，具備更強的加熱功率，等離子體溫度最高能超過2億攝氏度。它的真空室主半徑為1.78米，設計最高能承載250萬安培的電流，能夠由非超導銅線圈產生最大2.2特斯拉的磁場，會對等離子體形成更強、更穩定的內部約束磁場。

根據專家的介紹，聚變堆的聚變功率與等離子體電流的平方成正比，意味著反應功率仍將有幾倍的提升空間。這將顯著影響上述三個參數中的密度和約束時間，進一步增加核聚變反應的速率，嘗試接近勞森判據的臨界點。

高性能計算機和相關算法的引入對于提升約束時間起到了最關鍵的作用，我國擁有比較豐富的等離子體的數值模擬經驗，使得磁約束時間在國際上處于較為領先的地位。

我國的另一個“人造太陽”項目被稱為東方超環的EAST，是全球首個非圓截面全超導托卡馬克，的中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導磁體，外側則由超導材料制成的線圈圍成。

以我國目前最尖端的“環流3號”和EAST實驗堆為例，在大約1.5億攝氏度的條件下，能夠以大約10的19次方級別密度持續約100秒可重復的等離子體運行。在“環流3號”有潛力進一步大幅提升約束電流的前提下，若能同時再將磁約束時間提升到1000秒以上，就將十分接近勞森判據。

結語：國際上可控核聚變被稱為“普羅米修斯盜火”，是國家綜合技術實力的一種體現。能夠帶領人類再一次走向光明。可控核聚變和人工智能代表未來的先進生產力，它們的發展將成為下一代工業革命的鑰匙，人類將擁有無限能源并擺脫重復勞動。

參考文獻：

1.中核集團. 我國掌握可控核聚變高約束先進控制技術. 2023-8-28

2.中國科學院等離子體物理研究所. 什么是托卡馬克？

3.中國科協. 新一代人造太陽“中國環流三號”再創紀錄. 2023-9-17

4.科技日報. 提高三乘積，讓可控核聚變走向現實

5.澎湃新聞. 為何核聚變總在“五十年后”？美國聚變點火有何弦外之音？