人造太阳”从“核”而来

背  景

2022年10月19日，中核集团核工业西南物理研究院科研团队在新一代“人造太阳”科学研究上取得重大突破，HL-2M等离子体电流突破100万安培，创造了我国可控核聚变装置运行新记录，标志着我国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步，跻身国际第一方阵，技术水平居国际前列。

人类已经造出了很多东西，但造太阳还真是闻所未闻，难道天上有一个太阳还不够？先别着急，人造太阳可能不是你想的那样。研究“人造太阳”并不是要将它挂在天上，而是为了解决人类的能源危机。2020年9月22日，我国在第七十五届联合国大会上，承诺将在2060年争取实现碳中和目标。从当下来看，尽管我国在清洁能源的研究上取得了一定成绩，但对于人口庞大的中国来讲，传统化石能源的消耗依然是最主要的，这不仅造成能源危机也产生了一系列环境问题。显然，要想实现碳中和的目标，对化石能源的大量耗费是必须要解决的问题，科学家们一直致力于探索新的能源，风能和水能容易受到自然因素影响，而裂核能又存在核裂变放射性污染的问题。核聚变被称为是人类终极能源模式，可有效缓解能源危机，它不存在放射性，也不会存在裂变链式反应无法随时停止的风险，因此是安全可靠的[1]。我们熟知的太阳发光发热的原理是核聚变，而“人造太阳”正是基于核聚变研究的一种装置，那么到底什么是“人造太阳”，今天我们一起对它进行一个探究。

1核聚变

图 1 燃烧中的太阳（图片来源于新浪科技）

支持太阳持续燃烧50亿年的秘密来源于氢的核聚变，试想如果人类能够造出一个类似于太阳的装置，那将源源不断地产生能量，能源危机自然也就迎刃而解了。受此启发，“人造太阳”来了，准确来讲它叫做受控核聚变反应装置，它的研究旨在为人类持续提供新的清洁能源。既然是核聚变装置，我们首先了解一下啥是核聚变？

原子核中的质子数可以让我们判断原子是什么元素，原子序数和质量数可以告诉我们原子的质子数和中子数，而如果两个原子质子数相同而中子数不同，则它们互为同位素，比如氢的三种同位素，分别是氕（氢）、氘（重氢）、氚（超重氢）。简单来讲，核聚变可以将两个氢原子聚变为一个氦原子并产生巨大能量，见图2。最常用的核聚变燃料便是氢的同位素氘和氚，氘和氚大量存在于海水中，每1升海水中含有30毫克氘， 而1升海水中的氘聚变可产生相当于300升汽油的能量[2]，因此核聚变产生的能量相当巨大。我们可以将核聚变简单理解为两个轻的原子核结合成质量更重的原子核并释放巨大能量的过程。

图 2 核聚变简单原理图（图片来源于知乎费米科学）

我们熟知的原子弹是利用核裂变原理制造的，而氢弹则是利用核聚变原理，相比于核裂变，核聚变的反应条件及其严苛，需要亿度高温，这一温度只有在原子弹爆炸瞬间可以实现，但它产生的能量将远远超过核裂变。核聚变产生的能量比核裂变要多得多，是因为在相同质量的原子核在发生核聚变时，会有较多的质量亏损所以释放的能量也较多。根据爱因斯坦的质能方程ΔE=Δmc2，即产生的能量等于亏损的质量乘以光速的平方，所以核聚变由于较多的质量亏损在光速的平方乘积下可以产生巨大的能量（图3）。拿氢弹来讲，它的爆炸是靠先爆发一颗核裂变原子弹产生亿度高温，然后触发核聚变反应实现的，但这是一种不可控的核聚变反应，对于现如今寻求清洁能源的人类来讲，显然不需要这种瞬间爆发的巨大能量，因此研究受控核聚变反应来持续获取能量便成了重点。

图3 核聚变反应释放更多结合能（版权转载于中科院合肥研究院等离子体所）

2人造太阳如何实现受控核聚变

“人造太阳”是科学家研究受控核聚变反应的装置。要实现受控核聚变第一点是需要燃料温度达到1亿摄氏度以上，核聚变反应需要压缩氘氚原子核到需要的尺度范围，可是原子核带正电，因此需要超高的温度能量才能克服原子核间的库仑势垒。但这样的高温带来的最大问题就是什么容器能够承载核聚变反应的发生，显然现如今的材料无法承受这么高的温度。为此，科学家利用核燃料高温状态下聚变导电的特性，向其中引入电流，通过电流产生的强大磁场来约束超高温下的聚变燃料，这一过程被称为磁约束核聚变，“人造太阳”所采用的原理便是此。该原理是用独特的磁场将处于热核反应状态的超高温等离子体封闭在一个固定的空间里面，对运动原子核产生的洛伦兹力造成约束，这些带电等离子体往往由氘、氚轻原子核以及自由电子组成，它们在垂直于磁场方向不再自由只能沿着磁场方向做回旋运动，从而受到约束。在该封闭的空间内，等离子体会发生原子核聚变反应，大量原子的核聚变能够释放出巨大的能量[3]。托卡马克是达成这一过程的装置（图4），作为一种环形容器，它可以利用磁场的约束实现受控核聚变，它的中央是一个环形真空室，外部缠绕着一层层线圈。当给它通电，在托卡马克的内部便会产生巨大的螺旋型磁场（图5），等离子体被加热到超高温状态，发生核聚变反应，因此“人造太阳”装置也可以称为托卡马克装置。

图 4 人造太阳装置图[4]

图5 托克马克螺旋约束磁场（版权转载于中科院合肥研究院等离子体所）

实现受控核聚变反应的第二点是反应堆的密度要足够高，这样燃料原子核之间的碰撞机率就会大大提高，这对于核聚变反应来讲，显然是极为有利的。第三点是能量约束时间要足够长，也就是说在满足前两点条件的情况下，要能将核聚变反应维持住，只有这样核聚变反应才能持续进行，从而实现能量的长期收集。总而言之，燃料温度、密度和能量约束时间这三个条件（聚变三乘积）只有同时满足，才能实现聚变“点火”，使得受控核聚变反应发生[4]。听起来受控核聚变原理似乎十分简单，但要想实现对受控聚变能的有效控制却十分困难，因为这对设备的精细度、焊接工艺以及线圈发电设备有着极高的要求。迄今为止，我国在受控核聚变的研究上取得了一系列成果，下面，我们将对中国在该领域的主要研究进行一个简单回顾和总结。

3我国在受控核聚变领域的研究

上世纪中期，我国开始研究受控核聚变，1956年，我国在四川乐山建立了受控核聚变研究所——西南物理研究所，也就是现在的中核基团核工业西南物理研究所。超导磁体可为核聚变反应堆提供持久强大的磁场，此后，基于对超导技术的研究，中国在1991年制定了超导托卡马克发展计划，着力解决托卡马克稳态运行问题。并于1994年建成并运行了世界第二大的全超导托卡马克装置HT-7装置。1998 年 7 月，我国“HT-7U 超导托卡马克核聚变实验装置”（简称 EAST，又称“人造太阳”）立项。2000年，EAST正式进行研制，2003年，我国加入国际热核聚变实验（ITER）组织。此后，EAST于2006年成功完成首次工程调试，2007年3月通过国家验收。

图 6 中国新一代“人造太阳”HL-2M （图片来源于人民网）

之后至今，我国在EAST的研究备受瞩目，2021年5月，我国“人造太阳”创造了新的世界纪录，全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，这一研究成果直接将原本1亿摄氏度20秒的纪录翻了5倍。12月底，EAST又实现电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体运行1056秒，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。从2021年我国“人造太阳”的创纪录研究到文章开头的中国新一代“人造太阳”的最新突破（图5），我国已经跻身为世界研究“人造太阳”的高水平行列，为ITER以及人类能源领域的相关研究提供了科学可靠的研究。

4总结

我国加入ITER已接近20年，在这期间，中国在受控核聚变的研究上从一开始的陪跑到现在的局部领跑，取得了宝贵的研究成果。“人造太阳”的研究，未来将奔着点火并持续产生聚变能的美好愿景出发，届时有望取代人类对传统能源的消耗，产生良好的经济效益。看了这么多，现在，你对“人造太阳”的理解是不是清晰了一点呢？