4月12日21時，有中國“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST,中文名“東方超環”)創造新的世界紀錄，成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒。為什么403秒會成為一個里程碑?“人造太陽”所要實現的可控核聚變，對人類社會意味著什么?我們距離這一終極能源夢想還有多遠?讓我們走近一群“種太陽”的人。
在電影《流浪地球2》中，有一種幫助地球遠航的行星發動機，它所用的能量就來自可控核聚變。現實中，雖然像電影中那樣的重核元素可控核聚變還難以實現，但是對于氫的可控核聚變研究，人類已經走過了半個多世紀的征程。
在實現可控核聚變的方案中，磁約束被認為是最適合解決能源問題的途徑。利用磁約束實現可控核聚變的裝置叫做“托卡馬克”，因為酷似太陽燃燒的機制，也因為被寄托了未來能源的美好愿景，人們更愿意將托卡馬克稱為“人造太陽”。
未來的終極能源為何是它?
零排放、可無限利用、永遠安全
人類的發展史一直伴隨著能源的消耗，但我們對能源消耗的速度并不是恒定的。過去一兩百年，世界人口急劇增加，人類的能源消費急劇增長?，F在，地球上70多億人口主要還是依賴石油、煤等化石能源。
未來，人類需要繼續發展，能源消耗還將更大，地球現有的化石能源將會很快消耗殆盡。這個時間窗口，只有100年到300年的時間。當化石能源耗盡之后，我們要去哪里尋找穩定的能量來源?
愛因斯坦的質能方程E=mc2告訴我們，哪怕只有一點點質量，只要引發原子核級別的反應，瞬間就能釋放出巨大能量。因為盡管質量只有一克，但乘以光速的平方，能量就非常巨大。這就是太陽可以穩定燃燒幾十億年的原理，也是浩瀚宇宙中大部分恒星發光發熱的原因。
說起核反應能，分為核聚變與核裂變。目前，世界上有400多座核電站都使用核裂變產生的能量發電。這些核電站所用的原料是鈾，僅需一克就能產生相當于1.8噸石油燃燒產生的能量;如果用氘-氚的話，一克所產生的能量相當于8噸石油。
目前，全世界的裂變核電站為人類提供了大于10%的電力，但它有兩個重大缺陷：其一，地球上的鈾、釷、钚，儲量都不多，即使全部利用，千年左右就會用完;其二，核裂變時產生的各種射線會對人體產生傷害，放射性物質會對周圍環境造成放射性污染，比如美國三里島事故、日本福岡事故，以及切爾諾貝利核電站事故。盡管這些事故概率非常低，約100萬年才會發生一次，但陰影總是存在，所以裂變電站都建在遠離人群的地方。
核聚變則具有固有安全性，即永遠都是安全的。根據核聚變的原理，首先是要把氫的同位素氘和氚加熱到上億度，這要保持住非常難，但要停下來很容易。而它的產物只有氦氣和中子——氦氣本來就是干凈的，而中子我們用水就可以將其吸收，其能量會讓水變成蒸氣，用來發電。所以，核聚變設施不釋放二氧化碳，也沒有長壽命放射性元素，可以建在城市中心。
核聚變的另一個優勢是資源無限。一升海水可以提取0.03克氘，釋放的能量高于340升汽油燃燒產生的能量，全世界海水里有40萬噸氘——可供人類使用100億年，比太陽和地球的壽命都長。而且，核聚變電站對資源的消耗非常低，功率密度又很高。一個聚變電站一年只需要用150公斤的重水和150公斤的鋰，而一個100萬千瓦的煤電站一年要燒200萬噸煤，一個裂變電站一年需要30噸鈾。
所以，國際能源署在上個世紀組織3000名科學家討論了3年，最終得出結論，人類未來的終極能源將由核聚變和可再生能源構成——核聚變將為我們提供綠色的、沒有任何排放的、安全的、可以無限利用的能源。
可控核聚變為什么這么難?
它無處不在挑戰人類科技極限
既然核聚變這么有優勢，為什么不早點把它研發出來?原因在于，要實現可控核聚變，必須跨越非常高的門檻，條件非?？量?。
1958年，英國牛津大學一位剛畢業的博士勞遜，用了兩年時間給出了“勞遜判據”：核聚變實現點火，必須要滿足“粒子密度n、溫度T、約束時間τE，三者乘積大于1021”。即溫度要達到上億攝氏度、約束時間至少要大于一秒，還要有足夠多的粒子。當時，人類能達到的最好成績是1011，理想和現實的巨大差距讓勞遜博士知難而退，但全世界其它科學家仍在孜孜不倦地追求著，一直朝著這個目標努力了65年。
去年，美國科學家激光點火成功，這成為人類科學史上一個重大事件。他們在相當于三個足球場這么大的空間里，用192路激光，在不到10納秒的時間內，打到只有胡椒粒大小的靶丸上，實現了可控核聚變點火。美國能源部表示，這是他們在70年科學歷程中“最偉大的突破之一”。 實現可控核聚變的另一大難題是約束聚變粒子。我們最常見的聚變體是太陽，因為它的質量特別大，靠萬有引力就可以把所有的帶電離子約束住，約束時間遠遠大于一秒，所以它在1500萬℃就可以發生聚變。 還有什么約束辦法嗎?因為聚變需要上億度高溫，不能用任何容器盛裝，所以人類想到用強磁場把帶電粒子懸浮起來，即磁約束。
我們知道，當溫度足夠高時，電子會飛離原子核，這就是等離子體。如果加上磁場，所有帶電粒子都會圍繞磁力線運動——有了磁場，粒子就被約束住了，磁場越強，約束力就越強。于是，蘇聯科學家由此發明了托卡馬克——它就像一個“容器”，里面的磁場強度相當于地球磁場的一萬倍，能讓粒子在其中懸浮、旋轉。
其實，科幻電影《鋼鐵俠》里就出現過托卡馬克，那是一個磁籠子，這種馬達只需一千克氣體就能在宇宙里飛行許多年。此外，《流浪地球》中提到用一萬個重核聚變發動機推著地球去另一個星球，用的也是托卡馬克裝置?，F實中，我國很早就開始著手研制托卡馬克。1958年，蘇聯在一次國際大會上公布托卡馬克的原理后，我國就在四川樂山建立了國內最大的磁約束聚變基地——中國核工業西南物理研究院。項目最早由李正武院士提出，潘垣院士作為當時的總工程師負責實施。這個中國最早的磁約束聚變基地就在距離樂山大佛2.6千米的地方，如今的博物館里存放了很多老一輩科學家當時做出來的實驗裝置。
在安徽合肥科學島上，從1973年開始，中國科學院也同時開展了托卡馬克的研究。1989年，蘇聯已著手開發第二代托卡馬克，有意把第一代裝置T-7送給其他國家。時任中科院等離子體物理研究所所長的中科院院士霍裕平，做了一個對我國核聚變發展非常重要的決定，將已停機的T-7引入國內進行改造。我們用兩年多的時間將它拆解、改造，建成了中國第一個超導托卡馬克HT-7。在這個新裝置上，我們實現了優于其他國家的實驗成績。最重要的是，培養了一批包括我在內的科學家。
后來，我國的磁約束做到了60秒、1000萬℃，這個成果入選了2003年度中國十大科技進展新聞。但要真正實現核聚變，除了需要點火達到上億攝氏度的高溫，還需要長時間維持。去年美國實現的激光點火是慣性約束，能量要先轉換成激光。對磁約束而言，大量的能量消耗在磁籠子的產生。怎樣不讓磁籠子消耗能量呢?那就要靠超導。所以，必須建造新一代全超導托卡馬克核聚變實驗裝置——東方超環(EAST)。
一旦說起超導，所有的問題變得既簡單又復雜。說它簡單，因為消耗功率大幅減少，意味著以后聚變發電，只需一點點能量就可以點火。說它難，主要有三個問題：首先，超導需要4K(-269℃)的低溫，而實現聚變的溫度是上億攝氏度，怎么把這兩個溫度放在一起?第二，高能粒子束很容易把周邊材料打壞，需要抗高溫、抗高輻照的材料。第三，托卡馬克對于誤差有著極端的要求，哪怕0.1毫秒、0.1毫米的誤差都會導致失敗，所以需要先進的控制系統。而且這三者都要保持長時間連續運行。所以，實際上，實現全超導托卡馬克核聚變比登天還難。我們需要產生一個上億攝氏度高溫的“甜甜圈”，還要把它放在一個-269℃的低溫容器中，再把它磁懸浮起來，這就是超導托卡馬克，也就是所謂的“人造太陽”。
這的確挑戰了人類科學和技術的極限。2000年10月，EAST項目正式開工。2006年9月26日，EAST成功獲得等離子體，達到了500萬℃，持續時間大約不到一秒。但這還遠遠不夠。去年，EAST創造新的世界紀錄，成功實現可重復的1.2億℃、100秒等離子體運行，隨后又實現了1056秒、7000萬℃。這個溫度比太陽中心還高6倍，可見光已經幾乎沒有。在長時間維持方面，中國已走到世界前列，多次創造高約束等離子體穩態運行世界紀錄。
“人造太陽”何時“亮燈”?
人類有望10年內實現核聚變
未來用核聚變來發電，1000秒還遠遠不夠，必須是想運行多久就能運行多久，所以還有很多難題有待解決。目前還有幾個比較困難的問題。比如等離子體的加熱。平時，加熱食物最快的方法是用微波爐。一般家用微波爐只有500瓦，而EAST有全世界最大的“微波爐”，微波驅動總功率高達30兆瓦，這幾乎是人類現有技術的極限。只有多個極限技術共同作用，才有可能實現聚變點火并維持下去。經過幾代人奮斗，現在EAST所用的技術基本已實現百分百國產化。另一個難點是長時間高溫下材料很容易被打壞。聚變中所產生的部分微量中子，在1兆安電流下已經像是不安分的子彈。因此，EAST中所用的材料必須又抗輻照，又耐高溫。我們用到了目前地球上幾乎最先進的材料，這些材料承受的粒子轟擊載荷高出飛機發動機100倍。
為推動托卡馬克發展，國際上從1985年開始倡議國際熱核聚變實驗堆計劃ITER，2001年完成工程設計。2003年1月，國務院批準我國參加ITER計劃談判。2006年5月，中國正式加入ITER。加入ITER，可以以10%的貢獻獲取100%知識產權，實現彎道超越，還可帶動國內聚變產業的發展。通過深度參與ITER，國內一大批企業迅速發展，初步建立起了未來中國聚變工業的基礎。例如，產生超導磁體所需的超導線，參加ITER前我們僅能進行36公斤的小批量生產，現在我們可以年產150噸，廣泛應用于核磁共振。如今，核聚變在國際上已經成為一個競爭白熱化的領域。人類對能源的需求從沒有像現在這么緊迫。站在現在回望過去，前60年還是以基礎研究為主，現在應該到了一個轉折點，即從基礎研究到工程研究到商業化，這個進程要加快。我國在磁約束核聚變的科技發展上走到了世界前列，要盡快建設實驗堆(BEST)、工程示范堆(CFEDR)、商用堆。
我最大的夢想就是在我的有生之年，能看到聚變點燃一盞燈。曾經，我覺得這些事還很遙遠，但是現在我發現有可能。因為新的時代、新的機遇，給我們提供了一個非常好的展現的舞臺。我相信，我們有望用不到10年的時間實現聚變，在我有生之年一定能看到有一盞燈被聚變點亮。當然，僅僅點亮一盞燈還不夠，我們還要做100萬千瓦的中國聚變工程示范堆，讓清潔安全的聚變能，點亮人類未來的希望。
可控核聚變彰顯人類命運與共
可控核聚變技術不僅是人類先進技術的搖籃，更重要的意義在于，它能真正體現人類命運與共。推動托卡馬克的發展，需要全世界科學家和工程師的共同努力。上世紀80年代開始，世界上所有研究磁約束聚變的等離子體物理學家始終聯合在一起，合作和交流從來沒有中斷?，F在，每年都有成百上千人次的美國科學家到中國來開會、交流。2022年，美國的托卡馬克裝置分配兩周時間給中國科學家做實驗，中國的設備也有三周給他們做實驗。之所以如此，是因為實現核聚變是人類共同的夢想。如果未來能源問題被解決，可控核聚變實現了，世界就會變得更加和平。眼下，碳中和已成為關系人類未來發展的一個重要課題。聚變能源是沒有二氧化碳排放的。如果人類能夠很快實現核聚變，盡快開啟聚變工程示范和商業應用進程，那么到本世紀末將可建設1000個聚變電站，減排二氧化碳85億噸。聚變堆實現商用化后，電力會非常便宜。因為一個聚變電站一年僅用150公斤重水，而重水的成本僅為每噸1500萬元。一個千萬人口的大城市，只需10個這樣的電站就夠了，用電成本真的可以變成白菜價。
人類之所以成為人類，就是因為我們內心深處都有一份善良美好的愿望，都樂于助人。技術本身不會加大貧富差距，隨著技術和文明的發展，我們將更有能力去幫助欠發達的國家和地區。
