中國(guó)“人造太陽”，人類“不可能任務(wù)”的現(xiàn)在進(jìn)行時(shí)

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作者：白寧

《三體II》中，在從185年的冬眠中醒來的第一天，羅輯因?yàn)橐恢粺崤Ｄ痰谋蛹?dòng)不已。

這個(gè)杯子，只需要把底部的一個(gè)滑動(dòng)按鈕推到想要的溫度上，就能完成加熱。杯子的底部與杯子是一體化的，除了那個(gè)滑動(dòng)開關(guān)外沒有任何東西，包括充電口——杯子如何充電？

“電？到處都有電啊。”照顧他的護(hù)士不以為然。

難道永動(dòng)機(jī)，這個(gè)人類千古夢(mèng)想的圣物終于被發(fā)明出來了？如果人類真的得到了無盡的能量，那他們幾乎可以得到一切了——甚至連三體人的威脅都不再是問題。

不過很快，羅輯就失望了。新的世界里并沒有永動(dòng)機(jī)，無所不在的電來源于電磁波，用電設(shè)備可以通過天線或電磁共振線圈完成充電。

現(xiàn)在手機(jī)用的“無線充電”還是需要線的。圖源Pexels。

這種技術(shù)，我們?nèi)缃穹Q之為“無線充電”，一種無論在小說中，還是真實(shí)世界里，都并不十分罕見的技術(shù)。之所以沒有普遍使用，是因?yàn)檫@種供電方式損耗太大，發(fā)射到空間中的電能只有一小部分會(huì)被接收使用。

那么，為什么在羅輯冬眠醒來的時(shí)代，無線供電所產(chǎn)生的損耗變得可以接受呢？因?yàn)榭煽睾司圩兗夹g(shù)成熟了。這種技術(shù)可以通過極少的原料產(chǎn)生巨大的能量，幾乎相當(dāng)于一種無限的能源。

而羅輯的失望之處在于，在他冬眠之前，根據(jù)人類的科學(xué)水平，掌控可控核聚變就是遲早的事情，現(xiàn)在不過是完成預(yù)期，并不像他以為的人類已經(jīng)突破了三體人的科技封鎖：人類確實(shí)得到了近乎無盡的能量，但也只是“近乎無限”。

不過這至少告訴了我們一件事：即使在科幻小說的設(shè)定中，也認(rèn)同“可控核聚變≈無限能源”——當(dāng)然，前提是能夠掌控它。

而就在不久前，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所發(fā)布了一條核聚變領(lǐng)域的一條突破性消息：EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置（東方超環(huán)）實(shí)現(xiàn)了1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間。

這么一長(zhǎng)串?dāng)?shù)字和專業(yè)術(shù)語，普通人顯然很難理解，可能需要借助別人的解讀才能觸及重點(diǎn)：我們已經(jīng)全面驗(yàn)證了未來核聚變發(fā)電的等離子體控制技術(shù)，推動(dòng)其從基礎(chǔ)研究向工程應(yīng)用邁進(jìn)了一大步（等離子體所所長(zhǎng)宋云濤）。

歷史早已明示，凡涉及到能源走向的問題，都不是小問題?？煽睾司圩兊拿恳粋€(gè)進(jìn)步，都在拖著人類向著夢(mèng)幻中的未來前行，一步可跨千里。

所謂“終極能源”

上世紀(jì)末，國(guó)際能源署給能源領(lǐng)域的2000個(gè)科學(xué)家發(fā)了一份調(diào)查問卷，其中一個(gè)問題是“人類的終極能源是什么”。最終，約20%的人寫了“可再生能源”，剩下近80%的回答，都是“核聚變”。

首先來看“可再生能源”。能成為人氣第二的終極能源候選人，大概和它取之不盡、清潔無污染的特點(diǎn)關(guān)系很大。無法更進(jìn)一步，主要是因?yàn)樗茉磳傩陨系娜秉c(diǎn)：

• 產(chǎn)能效率太低，低到遠(yuǎn)比不上化石能源。而在“終極能源”的比拼中，化石能源的產(chǎn)能效率是處于鄙視鏈中下游的。

• 過于依賴自然條件（眾所周知，有風(fēng)才會(huì)有風(fēng)能，有太陽才可以收集太陽能，有充沛的水，水電站才能運(yùn)轉(zhuǎn)），因此無法充當(dāng)穩(wěn)定的能量來源。

而核聚變，作為一種能量來源，無論從哪種角度去看，都堪稱完美。如果說，世界上存在一種能源可以被稱為“終極能源”，甚至被一些人視為“信仰”，它也只可能是核聚變。有人甚至認(rèn)為，有了它之后，人類不再需要其他任何一種能源。

核聚變的產(chǎn)能方式和目前世界上產(chǎn)能效率最高的核電站類似，也來自于“人類可以獲得的最大的能量所在”，即將物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量。至于轉(zhuǎn)化的比值，愛因斯坦早在1905年便指明了：E=mc2（E為能量，m為質(zhì)量，c為光速）。

但兩者還有微妙的區(qū)別：目前現(xiàn)有的核電站的能量均來源于核裂變?！熬邸焙汀傲选?，這一字之差，也是導(dǎo)致兩者在實(shí)用效果上差異巨大的終極原因。

在原子核的尺度上，無論發(fā)生裂變還是聚變，當(dāng)新原子核誕生時(shí)，都伴隨質(zhì)量的損失，以及巨量能量的釋放。以此為基礎(chǔ)，在核裂變的方向上，人類研究出了原子彈，在核聚變的方向上，氫彈得以誕生。

鈾235是鈾的三種天然同位素之一，具有放射性，可以發(fā)生核分裂，引發(fā)連鎖核裂變反應(yīng)，可用作核電及核彈。圖源維基百科。

核裂變的原料，即放射性元素鈾235，在自然界中極其有限，只占天然鈾的0.711%。按照目前人類的總體能量需求計(jì)算，如果將供能方式都換成核裂變，不到100年，鈾235就會(huì)全部用完。

而核聚變所需的原料，也就是氫的同位素，大量存在于在海水中。假如把整個(gè)大海里所有的氫的同位素都拿過來進(jìn)行聚變，產(chǎn)生的能量大概相當(dāng)于世界石油儲(chǔ)量的1000億倍，可供人類使用幾百億年，這比太陽壽命（50億年）還高了數(shù)倍，是真正用之不竭的能源。

另一方面，從理論出發(fā)，核聚變的質(zhì)量損失比核裂變更多，因此核聚變的能量轉(zhuǎn)化效率更高。這也是氫彈比原子彈威力更大的原因。相同質(zhì)量的原料，聚變反應(yīng)所釋放的能量大約是裂變反應(yīng)的4倍。

核聚變反應(yīng)物沒有放射性，聚變后的產(chǎn)物阿爾法粒子也沒有放射性，所以核聚變不會(huì)造成污染，就算泄露了也沒事兒；又因?yàn)楹司圩兎磻?yīng)發(fā)生條件的限制（下文會(huì)講到），發(fā)生不可控爆炸的概率被視為0。這一切都就意味著核聚變極其安全——事實(shí)上，擁有核聚變反應(yīng)研究裝置的中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，就穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)米溆诤戏适小?/span>

中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所位于合肥市蜀山湖路350號(hào)。

然而，核聚變?cè)谌藗冃闹械娜绱顺绺撸踔帘灰暈椤靶叛觥?，其?shí)并不只因?yàn)樗峁┝俗銐蚨嗟那鍧嵞茉茨敲春?jiǎn)單。

任何涉及能源走向的問題，都可能影響整個(gè)人類的發(fā)展進(jìn)程。一旦掌握了可控核聚變，國(guó)家之間圍繞能源發(fā)生的博弈與激烈摩擦（因石油而起的紛爭(zhēng)可太多了）將徹底成為歷史；因追求能量造成的環(huán)境污染也會(huì)消失，生態(tài)環(huán)境將回歸理想狀態(tài)；更重要的是，它是人類進(jìn)入下個(gè)文明階段的鑰匙。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。因?yàn)槟壳笆褂玫娜剂闲芴?，火箭為了飛得更遠(yuǎn)，只能帶盡可能多的推進(jìn)燃料，在比重占到90%及以上時(shí)（比如長(zhǎng)征七號(hào)火箭，總重為500余噸，煤油液氧推進(jìn)劑就占了400噸），才有可能達(dá)到月球、火星或者金星附近，但也基本被限制在太陽系之內(nèi)。

從效能的角度來看，1g氫的同位素完全聚變大約能釋放出3.36*e^11焦耳能量，和8噸左右航空煤油（航空煤油的熱值為42MJ/kg）的能量大致相當(dāng)。也就是說，粗略計(jì)算的話，如果使用核聚變供能，長(zhǎng)征七號(hào)火箭上燃料的重量只需要占到50g。而飛行器攜帶極小質(zhì)量的能源就可以在宇宙中任意翱翔,是宇宙旅行實(shí)現(xiàn)的基本要求。

目前火箭基本都靠化學(xué)能產(chǎn)生動(dòng)力，燃燒劑以煤油、酒精、偏二甲肼、液態(tài)氫等為主，然后用液態(tài)氧、四氧化二氮等等提供的氧化劑幫助燃燒。圖源中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院。

1964年，蘇聯(lián)天文學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)舍夫提出了一種劃分宇宙中文明等級(jí)的方法，標(biāo)準(zhǔn)是所掌握的能量的等級(jí)：

I型文明：掌握文明所在行星以及周圍衛(wèi)星能源的總和；

II型文明：掌握該文明所在的整個(gè)恒星系統(tǒng)（太陽系）的能源；

III型文明：掌握該文明所在的恒星系（銀河系）里面所有的能源，并為其所用。

根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，很顯然，目前人類連I型文明也沒達(dá)到。而控制核聚變，正是人類觸摸宇宙文明門檻的最低要求。

再退一步看，原始文明以萬年為單位，農(nóng)耕文明以千年為單位，機(jī)械文明以百年為單位，信息文明則以十年為單位，每一個(gè)文明的成功躍遷，都需要依靠超指數(shù)級(jí)別的能量和資源供給。如何在現(xiàn)有能源的大規(guī)模開采和利用只剩短短百年的前提下，保證文明不發(fā)生倒退？目前來看，可控核聚變是唯一的途徑。

電影《流浪地球》中，推動(dòng)地球流浪的動(dòng)力便來自1萬個(gè)核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)。

聯(lián)合世界50%人口的大項(xiàng)目

不過，對(duì)于人類而言，作為一種產(chǎn)能方式，核聚變雖然近乎完美，卻還是有一個(gè)缺點(diǎn)。那就是，實(shí)在太難掌控了！

原子彈試爆成功9年后，人類就掌控了核裂變的能量，并用于發(fā)電。而人類自1952年第一顆氫彈試爆成功開始，就踏上了可控核聚變的研究之路，可直到60多年后的現(xiàn)在，依然無法掌控這種巨大的能量之源。這難道是因?yàn)楹司圩兾锢韺W(xué)家沒有核裂變研究者們聰明嗎？當(dāng)然不是，實(shí)在是因?yàn)榭刂坪司圩冞@件事太難。

初中物理告訴我們，物質(zhì)有三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。其實(shí)當(dāng)物質(zhì)的溫度高到一定程度后，就會(huì)處于等離子狀態(tài)，這時(shí)電子會(huì)和原子核分開，處于游離狀態(tài)的原子核就可以互相接近，開始核聚變反應(yīng)。利用高溫產(chǎn)生等離子體，讓它們進(jìn)行核聚變反應(yīng)，正是目前物理學(xué)家想到的可控核聚變的解決方案。

處于等離子體時(shí)，電子和原子核會(huì)分開。

那么，所謂的高溫具體要高到什么程度呢？基本要達(dá)到1億度。1萬度是自然界材料可以承受的上限，這種比1萬度再高1萬倍的極高溫度，目前沒有任何材料可以直接承受。

但只是達(dá)到高溫還不行。在高溫的前提下，維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間(約束時(shí)間），聚變反應(yīng)放出的能量才能高于產(chǎn)生以及加熱等離子體本身等所需的能量，實(shí)現(xiàn)聚變自持，也就是點(diǎn)燃了“燒”聚變?cè)系奶厥狻盃t子”，“聚變點(diǎn)火”成功。這個(gè)過程，網(wǎng)友們生動(dòng)得稱之為“燒開水”。而根據(jù)勞森判據(jù)，三重積（溫度T和約束時(shí)間τ跟密度n乘積的函數(shù)）的值需要大于10的22次方，“聚變點(diǎn)火”才能實(shí)現(xiàn)。

什么樣材質(zhì)的“爐子”才能長(zhǎng)時(shí)間維持1億度的高溫？這簡(jiǎn)直無法想象。

不過最終，人們還是找到了一種方法，即托卡馬克（Tokamak ）裝置，一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。Tokamak一詞是俄文單詞環(huán)形（тороидальная）、空腔（камера）、磁（магнитными）和線圈（катушками）的縮寫。

它的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。通電之后，托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，可以將其中的等離子體加熱到很高的溫度，觸發(fā)核聚變。

托卡馬克可變配置的圓形內(nèi)部，它的墻壁上掛滿了石墨面磚。圖源維基百科。

從托卡馬克的名字，我們也可以猜到，提出這個(gè)裝置構(gòu)想的人是蘇聯(lián)人，所以蘇聯(lián)建成了世界上第一個(gè)托卡馬克裝置T-1（1958年）也就很順理成章了。

1965年，蘇聯(lián)正式發(fā)表了T-1的第一批實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這本應(yīng)是個(gè)爆炸性的大事件，沒想到卻遭到了以西方為主導(dǎo)的科學(xué)界冷處理。當(dāng)時(shí)美、蘇正處于冷戰(zhàn)時(shí)期，美國(guó)核聚變界一股腦扎進(jìn)了仿星器（一種麻花狀的可控核聚變裝置）的研究之中，認(rèn)定所謂的托卡馬克以及它可以達(dá)到的數(shù)據(jù)都是蘇聯(lián)的騙局，并不相信。

1968年，T-1的第二批實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于當(dāng)時(shí)世界上其它所有核聚變研究裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了證明自己數(shù)據(jù)的真實(shí)性，蘇聯(lián)人邀請(qǐng)了英國(guó)科學(xué)家獨(dú)立地診斷、測(cè)量參數(shù)。沒想到，英國(guó)人測(cè)出來的數(shù)據(jù)比蘇聯(lián)人自己測(cè)出來的還高。

這開啟了聚變研究的托卡馬克時(shí)代，從此全世界都開始遵循這條道路前行。

上世紀(jì)90年代，美歐日先后做了三個(gè)大的托卡馬克裝置（美國(guó)1982年建成了TFTR、 歐洲1983年建成了JET、日本1985年建成了JT-60），都能在三五秒鐘的時(shí)間內(nèi)維持核聚變反應(yīng)，且可重復(fù)。這意味著，科學(xué)上的可行性在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

不過，整體而言，不論是經(jīng)濟(jì)投入和科學(xué)難度，核聚變研究都是一項(xiàng)難度太高的項(xiàng)目，不是單個(gè)國(guó)家能獨(dú)立承擔(dān)得起的。比如日本1985年4月8日運(yùn)行的JT-60，就耗資了2300億日元，這相當(dāng)于153億人民幣。注意，這可是人民幣購(gòu)買力還沒有縮水的將近40年前的153億。于是，在核聚變研究領(lǐng)域，人們開始尋求國(guó)際合作的可能性。

當(dāng)時(shí)美蘇還在冷戰(zhàn)中，但一致認(rèn)為需要展現(xiàn)一下“大國(guó)風(fēng)范”，雙方共同想到的可以合作的項(xiàng)目就是磁約束聚變研究。于是1985年，兩國(guó)聯(lián)合歐、日，一起發(fā)起了“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆”計(jì)劃（International Themonuclear Experiment Reactor Project；簡(jiǎn)稱“ITER計(jì)劃”）

ITER的托卡馬克裝置的小型模型。圖源維基百科。

不過ITER計(jì)劃啟動(dòng)沒幾年，蘇聯(lián)自己先遭遇了“裂變”，隨后退出了研究。而美國(guó)因?yàn)榻?jīng)濟(jì)衰退，以及昔日競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的缺席，以這項(xiàng)研究過于燒錢為由，先是縮減預(yù)算，后來干脆也直接退出。反而是一開始在ITER中沒那么核心的歐日?qǐng)?jiān)持了下來。

到2006年，中美同時(shí)加入（相差一天）ITER，隨后俄韓印也宣布加入，一個(gè)全新的“ITER計(jì)劃”就此誕生。不過，之后因?yàn)榉N種原因，計(jì)劃又被一再延期，也因此引起了國(guó)際上關(guān)于“聚變?nèi)?、五十年就?shí)現(xiàn)”的調(diào)侃：30年前就說“聚變?nèi)?、五十年就?shí)現(xiàn)”，30年過去了還是說“聚變?nèi)⑽迨昃湍軐?shí)現(xiàn)”。

目前，參與ITER的國(guó)家已經(jīng)超過了三十個(gè)。這三十多個(gè)國(guó)家，人口占了世界一半以上，財(cái)富的占比則在80%左右。一個(gè)科技項(xiàng)目能聯(lián)合如何巨大的力量，堪稱人類歷史上的一個(gè)創(chuàng)舉。

ITER目前成員有35個(gè)國(guó)家。

ITER也成為本世紀(jì)最為雄心勃勃的能源科技合作項(xiàng)目，預(yù)期將持續(xù)30年：10年用于建設(shè)，20年用于運(yùn)行；預(yù)計(jì)耗資100多億歐元，目標(biāo)是建成一個(gè)高30m，直徑30m，重2萬噸，輸出功率50萬KW的龐然大物。

目前，ITER還處于建設(shè)階段。2020年7月28日，ITER 正式進(jìn)入最后五年組裝階段。截至2021年5月，第一等離子體的完成率接近75%，并將于其后數(shù)年開始嘗試啟動(dòng)反應(yīng)堆，預(yù)計(jì)于2025年正式開始等離子體實(shí)驗(yàn)。

“種太陽”

各國(guó)在ITER項(xiàng)目展開合作，同時(shí)也都在這個(gè)項(xiàng)目的引領(lǐng)下，進(jìn)行自己國(guó)家的核聚變研究。因?yàn)楹司圩円彩翘柕哪芰縼碓矗司圩冄芯垦b置被稱為“人造太陽”，建造這類裝置也就有了一個(gè)生動(dòng)的稱呼：“種太陽”。

目前，美國(guó)、日本、歐洲、韓國(guó)等國(guó)都有各自的“太陽”，我國(guó)也已經(jīng)“種”下了自己的太陽。在正式簽約加入ITER計(jì)劃那一年，也就是2006年，我國(guó)完成了對(duì)“人造太陽”的全新升級(jí)——EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置（東方超環(huán)），它同時(shí)也是ITER的眾多引導(dǎo)裝置之一。

從起步時(shí)間來看，我國(guó)的受控核聚變研究與國(guó)際幾乎保持了同步。1955年，錢三強(qiáng)和剛留美歸來的李正武等科學(xué)家便倡議在我國(guó)開展“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究，以探索核聚變能的和平利用。

在核聚變博物館可以看到我國(guó)核聚變發(fā)展的早期資料，這里也是我國(guó)唯一一個(gè)對(duì)公眾開放的核聚變博物館，位于成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院。圖源樂山新聞網(wǎng)。

1965年，在四川省樂山市郊區(qū)建立了當(dāng)時(shí)中國(guó)最大的核聚變研究基地，西南物理研究所。上世紀(jì)80年代，作家莫然曾造訪位于108級(jí)石梯之高的荒山上的研究所。她回憶，所里條件簡(jiǎn)陋，研究者只能睡在帳篷，可謂一貧如洗。

不過直到90年代，我國(guó)才有機(jī)會(huì)發(fā)展自己的托卡馬克?！吧鲜兰o(jì)90年代，在前蘇聯(lián)解體之前，蘇聯(lián)人打算把一個(gè)T-7的半超導(dǎo)裝置贈(zèng)送給其他國(guó)家，然后他們自己做一個(gè)更大的。我們的老所長(zhǎng)霍裕平對(duì)蘇聯(lián)專家說，那就送給我們吧。最終，我們用價(jià)值400萬人民幣的生活物資，換了前蘇聯(lián)價(jià)值1800萬盧布的T-7裝置。”中國(guó)工程院院士、中國(guó)人造太陽項(xiàng)目的學(xué)術(shù)帶頭人之一李建剛回憶道。

《中國(guó)經(jīng)濟(jì)大講堂》欄目視頻截圖。

借由蘇聯(lián)人的裝置，我國(guó)開始了托卡馬克的研究，并開始自主設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。此后，我國(guó)的核聚變研究突飛猛進(jìn)，也培養(yǎng)了一大批自己的核聚變?nèi)瞬?。在此基礎(chǔ)上，才有了2006年的東方超環(huán)。

我國(guó)核聚變領(lǐng)域的飛速發(fā)展正是世界核聚變研究的一個(gè)縮影。近些年，磁約束核聚變領(lǐng)域一直處于飛速發(fā)展中，基本每18個(gè)月，三重積就會(huì)翻一倍。這個(gè)速度比芯片行業(yè)每?jī)赡攴槐兜哪柖蛇€要快，但卻完全沒有芯片行業(yè)高速發(fā)展的既視感——在指數(shù)級(jí)的數(shù)據(jù)差面前，再快的速度也如爬行。

那么，現(xiàn)在核聚變領(lǐng)域具體已經(jīng)做到了什么地步呢？

目前溫度達(dá)到上億度已經(jīng)沒有問題，極短時(shí)間內(nèi)，最高溫度甚至能達(dá)到3億度~4億度。但一項(xiàng)技術(shù)如果想要商用，只是達(dá)到某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還不行，還需要看能耗比，即Q值（產(chǎn)生能量和消耗能量的比值）。

核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大約有1/5可以利用，也就是說，Q值必須大于5，消耗的能量和獲得的能量才平衡。再考慮到能量形式轉(zhuǎn)換間的過程損失，國(guó)際上公認(rèn)的能量收支平衡點(diǎn)必須達(dá)到10以上。而要使得核聚變發(fā)電具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，則Q值需要達(dá)到30甚至以上。

目前，核聚變裝置輸出功率的世界紀(jì)錄是16兆瓦，大致和一個(gè)小型發(fā)電站的功率相當(dāng)。但是為了達(dá)成16兆瓦的輸出，維持磁場(chǎng)用掉的功率要將近680兆瓦。算起來，這筆買賣實(shí)在是太虧了。

怎么樣才能讓它消耗盡可能少呢？在導(dǎo)體中，消耗的功率等于電流的平方與電阻的乘積。而當(dāng)溫度降到零下269度，導(dǎo)體會(huì)進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，阻力也就消失了，可以最大限度降低消耗的功率。

所以從工程可行性上講，做超導(dǎo)是一個(gè)必需的階段。于是在2000年，我國(guó)為托卡馬克研究裝置升級(jí)時(shí)，就選擇了這種組合。歷時(shí)6年建成的東方超環(huán)是超導(dǎo)體和托卡馬克的結(jié)合體，這也是世界上第一個(gè)誕生的全超導(dǎo)托卡馬克裝置，首次將零下269度和上億度的東西放在一起進(jìn)行核聚變研究。

但是，怎樣才能兼容零下269度和上億度這兩種如此極端的溫度？

東方超環(huán)的解決方式是設(shè)置了五層保溫層，每層都進(jìn)行了特殊處理，使用真空室、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦等進(jìn)行隔熱和降溫。最核心的溫度達(dá)到上億度，在真空的隔斷后，外側(cè)的溫度只有幾千度。這個(gè)溫度，一些特殊材料就可以承受了。接著從幾千度到零下兩百度，再?gòu)牧阆聝砂俣鹊搅阆?69度，這樣層層過渡，就實(shí)現(xiàn)了上億度到零下269度的有機(jī)結(jié)合。

EAST主要部件示意圖。圖源中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所官網(wǎng)。

而在投入巨大人力物力推進(jìn)可控核聚變的進(jìn)程中，受惠的其實(shí)不僅是核聚變領(lǐng)域。比如，在此期間，我國(guó)的制造業(yè)就實(shí)現(xiàn)了飛躍。

以承接了“ITER磁場(chǎng)線圈超導(dǎo)線材”中國(guó)采購(gòu)包任務(wù)的西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱“西部超導(dǎo)”）為例，這個(gè)公司“不僅以高質(zhì)量（按照ITER國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）按時(shí)完成了任務(wù)，而且?guī)缀踉僭炝宋覈?guó)的超導(dǎo)工業(yè)：從一個(gè)幾十年才生產(chǎn)了三十幾公斤超導(dǎo)材料的事業(yè)單位，發(fā)展成一個(gè)年產(chǎn)幾百噸的國(guó)際一流超導(dǎo)材料企業(yè)。不僅為聚變做出了貢獻(xiàn)，而且為我國(guó)加速器制造、核磁共振裝置制造等先進(jìn)制造業(yè)提供了支撐（哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系教授王曉剛）”。

醫(yī)院里的核磁共振是使用超導(dǎo)技術(shù)做成的，之前的超導(dǎo)線材都從國(guó)外進(jìn)口，現(xiàn)在大部分都是國(guó)內(nèi)自己的企業(yè)在做，其中將近一半就出自西部超導(dǎo)。而歐盟在ITER的項(xiàng)目中承擔(dān)的磁場(chǎng)線圈超導(dǎo)材料的招標(biāo)項(xiàng)目，中標(biāo)的也是中國(guó)。值得一提的是，期間，中、美、日都參與了招標(biāo)，中國(guó)的報(bào)價(jià)也并不低，甚至比以高價(jià)著稱的日本還高了不少，也就是說，它純粹是因技術(shù)以及施工質(zhì)量取勝的。

“種下”的太陽什么時(shí)候熟？

最后還是回到核聚變。

因?yàn)楝F(xiàn)在核聚變領(lǐng)域三重積與“點(diǎn)火”之間的目標(biāo)差距依然是指數(shù)級(jí)，單純追求三重積沒有多大意義，所以世界范圍內(nèi)的核聚變研究都在追求單項(xiàng)能力的爬升。這像升級(jí)打怪一樣，完善各項(xiàng)自能力之后，才能在終極之戰(zhàn)中打倒BOSS。

目前數(shù)據(jù)上表現(xiàn)不錯(cuò)的核反應(yīng)裝置有：

歐洲JET：托卡馬克Q值的世界紀(jì)錄0.67的保持者，記錄誕生于1997年。

日本JT-60：等離子體溫度世界紀(jì)錄的保持者——5.22億°C。

1997年12月，日本聲稱在JT-60上實(shí)現(xiàn)了Q值1.25，三重積達(dá)到1.5×10^21，但是不可重復(fù)，而且其中發(fā)生聚合的是條件較苛刻、效能較低的D-D反應(yīng)（國(guó)際可控核聚變研究的主流是D-T反應(yīng)），這也導(dǎo)致這次數(shù)據(jù)的價(jià)值大打折扣，因此大部分人認(rèn)定的托卡馬克Q值記錄依然是歐洲JET的0.67。

JT-60于2010年被拆卸，在此基礎(chǔ)上升級(jí)的JT-60SA（超導(dǎo)型托卡馬克）還在建設(shè)中。

韓國(guó)KSTAR：2020年11月23日，韓國(guó)聚變能研究所宣布KSTAR將等離子體在高達(dá)1億度的高溫下維持了20秒鐘，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界紀(jì)錄。

美國(guó)NIF：2021年8月8日，美國(guó)NIF的激光脈沖（1.9兆焦）引發(fā)了燃料丸的核聚變爆炸，雖然只持續(xù)了100億分之一秒，依然產(chǎn)生了超過1.3兆焦的能量，是NIF過去制造能量的8倍。

我國(guó)的“人造太陽”裝置不止一個(gè)。2020年12月4日，新一代“人造太陽”裝置——中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）在成都建成。圖源新華網(wǎng)。

中國(guó)EAST（最近兩年一直在破紀(jì)錄）：

2020年4月，東方超環(huán)在1億度的高溫下維持了近10秒。7個(gè)月后，這一記錄被韓國(guó)的KSTAR打破。

2021年5月28日，東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億度101秒等離子體運(yùn)行和1.6億度20秒等離子體運(yùn)行。

2021年12月30日，實(shí)現(xiàn) 1056 秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行。

想要了解這些數(shù)據(jù)的意義，可以與東方超環(huán)最初設(shè)置的目標(biāo)做個(gè)對(duì)比：

通過極向場(chǎng)超導(dǎo)磁體，可以產(chǎn)生超過100萬安培的等離子體電流、在高功率加熱下溫度超過1億攝氏度、持續(xù)達(dá)1000秒。

為什么時(shí)間要設(shè)置為1000秒？因?yàn)椤按蠹s所有的反應(yīng)在持續(xù)時(shí)間達(dá)到100秒的時(shí)候就基本穩(wěn)定了，而從科學(xué)家的尺度說，將這個(gè)時(shí)間尺度再拉長(zhǎng)10倍，就達(dá)到了穩(wěn)態(tài)”。

此輪實(shí)驗(yàn)從2021年12月初開始，目前還在持續(xù)，預(yù)計(jì)到2022年6月結(jié)束，接下來的半年，它極有可能還會(huì)有更具突破性的數(shù)據(jù)表現(xiàn)。僅截止目前，東方超環(huán)已經(jīng)分別實(shí)現(xiàn)了100萬安培、1.6億度、1056秒等條件下的等離子體運(yùn)行。

此時(shí)，重讀文章開頭中科院等離子體所所長(zhǎng)宋云濤的話，我們可能有更深的體會(huì)：我們已經(jīng)全面驗(yàn)證了未來核聚變發(fā)電的等離子體控制技術(shù)，推動(dòng)其從基礎(chǔ)研究向工程應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。

當(dāng)然，這并不意味著，核聚變的商用一定會(huì)在“三、五十年”內(nèi)實(shí)現(xiàn)。但至少，當(dāng)我們?cè)谟懻摵司圩儏⑴c人類未來的可能性時(shí)，多了一些確定性。

中國(guó)磁約束聚變發(fā)展路線圖，來源：中國(guó)工程院院刊。

參考資料：

《EAST裝置實(shí)現(xiàn)1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行》

《中國(guó)經(jīng)濟(jì)大講堂》 20210516

《聚變60年》

吳軍《全球科技通史》

https://www.iter.org/

https://lasers.llnl.gov/news

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