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四代科研工作者、12万多次实验、10余次创造世界纪录……中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）屡获重大突破，今年4月12日成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒的新世界纪录。 此前的高约束模式运行世界纪录，是EAST于2017年创造的101.2秒。我国自行设计研制的EAST由此成为世界上第一个实现稳态高约束达到百秒量级的托卡马克装置。 EAST于 2007 年正式投入运行。它具有非圆截面、全超导及主动冷却内部结构三大特点，可为国际热核聚变实验堆（ITER）和未来中国聚变工程试验堆的建设和稳态运行提供直接经验。 EAST为何被称为“人造太阳”？ 实现聚变发电还要等多久？ 何以聚变？ 2021年4月13日，工作人员在中科院合肥物质科学研究院对全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）进行升级改造。 恒星能量主要来自氢核聚变。当人们认识到，宇宙间的能量，无非就是粒子的分分合合，石油充其量只能算个四级经销商，那么不如直接从粒子那里搞批发，自己拧原子核，于是就出现了“可控核聚变”的概念。 核聚变的主角是氢元素，氢元素按中子数量分三种：氕、氘、氚。氕（H）不带中子，习惯叫“氢”，氘（D）带一个中子，氚（T）带两个中子，都比氕重，反应截面大，更容易拧。这好比拧太轻的东西容易手滑，稍微重些有利于使劲。所以，聚变最喜欢拧氘。 那么，氘、氚从哪里来？普通水中就有重水（氘），只是比例很低，首先利用氕氘重量的差异，采用多级蒸馏，初步得到较高浓度的重水。然后电解，轻水比重水更容易电解，电解完之，剩下的就是比较纯的重水了。氚比较麻烦，半衰期只有12.43年，地球上几乎不存在天然氚，只能人工合成，通常利用反应堆的中子轰击锂-6化合物获得，相当贵。 聚变并不是氘、氚的专利，理论上说，所有铁以下的原子聚变都会释放能量，排名第二的氦元素就成了次佳选择，氘和氦-3、氦-3和氦-3的聚变也是当前的研究热点。理论够不着的地方还有潜力可挖，比如太阳的主要聚变燃料就是氕原子。氕核只有质子没有中子，聚变条件非常苛刻，现有聚变理论从没考虑过氕氕聚变。但太阳已经告诉我们，4个氕核可以聚变成1个氦核，释放的能量相当惊人。 那么，可控核聚变什么时候能实现？ 原子核带正电，两个原子核越靠近排斥力越大，通常做法是让它们高速相撞，只要速度足够快，就可以抵消这个排斥，拧成一个核。 温度的本质是粒子的运动速度，100摄氏度的空气和10摄氏度的空气，只是分子速度不同而已。为了让原子核拥有足够的速度相撞，就需要足够的温度，所以拧原子核都很烫。 单位体积内的原子核越多，相撞的概率就越大，实在密度不足的，就多维持一段时间。 温度、密度以及维持的时间，三者必须满足特定的条件，这叫劳逊判据。满足劳逊判据，聚变产生的能量就能维持聚变自身消耗的能量，聚变才会持续下去，俗称“聚变点火”。温度、密度、持续时间三者乘积达到10的22次方，就可以满足聚变点火的条件。为了达到这个条件，不能过分追求单项性能，而是要在三者之间找到一个最佳的平衡点，比如氘氚聚变的理想温度是在1亿-2亿摄氏度之间。 重重难关 那么问题又来了，用什么东西可以把1亿摄氏度的氘氚放在一起？ 有三个办法。第一，引力约束，就是太阳燃烧的原理，单纯靠万有引力硬生生把氢原子拧成氦原子。不过，即便你把整个地球拆了做成聚变装置，引力也无法满足劳逊判据。 于是，我们还剩两条路：惯性约束与磁约束。 惯性约束，是用N束激光从四面八方围着一个芝麻大小的氘氚球打，瞬间将原子核挤成高温高压，达到聚变条件，俗称“激光打靶”。打完之后，换上另一粒芝麻，继续打。 可问题是，这样一阵一阵，怎么做到持续稳定发电呢？美国国家点火装置（NIF），可在一瞬间将上兆焦耳的能量通过192束激光打在一粒芝麻上，自2010年正式点火后一路连刷纪录。此外，法国兆焦耳（LMJ）、中国“神光”系列、日本GEKKOXII也都不是等闲之辈。 但总的来说，激光打靶用于聚变发电的技术路线还是有些难办，我们赶紧来说说第三个办法：磁约束，用磁场把原子核拧到一起。到了一亿摄氏度，原子核和电子早被打散，成了“等离子体”。没了电子的氢核带正电，正好可以被磁场约束。 用磁场把1亿摄氏度的氘氚放一起就完了？后面的事可多着呢。 *等离子体稳态运行 等离子体形态跟气体似的，除了传统的流体力学，还有非常复杂的电磁相互作用。而聚变等离子体是流体力学、电磁作用、极端条件的叠加，其行为难以预测，本来反应很顺利，一点点扰动就瞬间“翻脸”，明明什么条件都满足了，但它就是不聚变。好不容易把反应模型算好了，比如你发现磁场分布像麻花一样反应效率最高，在计算机上模拟顺畅无比，最后还得建个实物才能验证到底行不行，这装置要用到大量超导材料。 *第一壁材料 聚变反应产生的中子能量高达14MeV，而原子之间的化学键能量只有10eV级别，两者整整差了一兆倍。直接面对聚变反应的内壁材料（有个形象的名字：第一壁材料），已超出了耐高温的概念，简直就是给太阳加外套，时间一长，任何原子都会被打飞。
可控聚变的难点还有一大把：氚不断减少，得想办法补充；氦不断增加，得想办法排出；制造磁场的超导材料至少要在零下200摄氏度的液氮环境工作，甚至是更冷的液氦，而里面的核心区温度却超过1亿摄氏度，中间只隔了几步路。 刷新Q值 无论聚变有多难，事关人类未来，大家仍然陆续展开了轰轰烈烈的聚变行动。 若定个衡量指标，把“输出能量/输入能量”的比值叫作“Q值”，Q大于1意味着“输出大于输入”。算上成本，烧锅炉的汽轮机热电效率在40%-70%，再算一些损耗，暂且认为Q=2.5是成本。商业应用一般认为要Q>30才行。划分一下几个关键点： Q＞0，实现聚变反应，原理性突破标志； Q＞1，输出能量大于输入能量，“盈亏平衡”突破标志； Q＞2.5，输出能量转化为电能后仍大于输入能量，“实用化”突破标志； Q＞30，输出能量转化为电能后可实现盈利，“商业化”突破标志。 聚变这摊子事实在太多，为了避免迷路，先看一眼地图，按图索骥，从最经典、最被看好的“托卡马克”说起。
托卡马克的磁约束特征是，纵向场线圈和极向场线圈分明，纵向磁场完全由外部的线圈提供，极向磁场由线圈和等离子体电流产生，两个磁场共同约束等离子体。等离子体有电阻，可以利用欧姆效应加热，也就是用感应电流给等离子体通电，而且通电后的等离子体相当于一个线圈，还会产生磁场。不过温度升高后欧姆加热效率降低，后期还要辅助加热手段，比如射频波共振加热、中性束注入加热等。
利用线圈和等离子体电流产生磁场，利用磁场约束氘氚，利用感应电流和其他手段狠狠加热，这就是托卡马克的原理。 苏联从1958年开始不断尝试，几经升级终于在1968年有了能量输出，人类第一次刷到了Q值，虽然只有十亿分之一，但至少证明路子是可行的。一时间各国纷纷跟进，进入20世纪80年代技术路线趋于成熟，于是建造了一堆大型托卡马克，准备上真正的氘氚反应。
1991年，欧洲联合环（JET）实现了史上第一次氘氚反应，持续了2秒，Q值0.12。1993年，美国的托卡马克聚变测试反应堆（TFTR）把Q值刷到了0.28。1997年，欧洲联合环又刷出了0.67的历史新高度。随后，日本的JT-60成功进行了氘氘反应，换算回氘氚反应的Q值相当于1.25（但因为是换算值，Q值基本不算数）。 当别人还在用铜线的时候，苏联的T-7托卡马克装置就用上了超导；T-7上马没几年，又开始建造更大的T-15。苏联解体后，大量人才流失，项目停滞。T-15虽没有亮眼的运行纪录，但凭借傲人的设计，依然和欧洲联合环、美国TFTR、日本JT-60一起位列前四。 除此之外，还有不少水平不错的聚变装置。法国的Tore-supra是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，放电时间长达120秒。这里的“放电”不是发电的意思，是指把氘电离成等离子体，只是聚变反应的第一步，但依然非常了不起。要知道，其他装置虽然刷到了Q值，但持续时间都只有几秒钟。还有德国的ASDEX-U、TEXTOR也实力不俗，刷出不少纪录。 很多工业强国都涉足聚变领域，全球前前后后累计造了几十个聚变堆，却发现可控核聚变在五十年内都榨不出“油水”，于是一批托卡马克陆续关闭，Q值纪录就停留在1997年的0.67。 EAST 可毕竟事关人类未来大计，美苏日以及欧洲各国一磋商，不如“组团”吧——国际热核聚变实验堆计划（ITER）由此诞生。后来，中国、韩国和印度也加入其中。2006年，ITER计划进入全面实施的准备阶段。
作为仅次于国际空间站的全球第二大科研合作项目，ITER目标定得相当高：Q值超过10，输出能量功率500兆瓦，与当前核电站的功率相当。但是，进度几年几年往后延，眼看着就陷入了僵局。关键时刻中国出手了，这就是中国核聚变的故事。 20世纪70年代，我们上了第一台托卡马克CT-6，接着又上了环流器一号（HL-1），还有HT-6、HT-6B、HL1M、环流器二号（HL-2）。后来，苏联的T-7辗转到中国后又做了不少升级，改名HT-7（合肥超环）。2006年，世界第一台全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）横空出世（别人都是部分线圈超导）。 此后，EAST开始全面刷纪录，而且行事颇有章法，并不直接追求Q值，官方定义是：研究等离子体稳态约束的可行性。也就是说，先让等离子体长时间保持1亿℃以上，不着急进行聚变反应。 在稳态运行方面，EAST屡屡创下世界纪录，1.2亿℃维持101秒，1.6亿℃维持20秒，7000万℃维持1056秒。2020年12月，规模更大、参数更高的中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电。 在托卡马克硬件建设方面，中国很快就展示出了工业大国的实力。ITER打算2025年实现点火，很大一部分原因是中国承担了大量核心关键部件的制造及安装任务，包括校正场线圈、环向场线圈导体、极向场线圈导体、磁体馈线系统、包层第一壁、包层屏蔽模块、诊断系统等等。 当然，光靠我们一家是不够的，ITER有100多万个部件，总重2.3万吨（我们的EAST才400吨），全球35个主要工业国都有自己的任务。 比如，资金并不充裕的欧洲联合环，于2021年12月再次进行了一轮昂贵的氘氚（D-T）反应，1.5亿摄氏度的氘和氚保持了5秒钟，聚变反应释放了59兆焦耳的能量，刷新了输出能量的世界纪录，为即将投入试运行的ITER进行铺路实验。 聚变发电还要等多久？ 磁约束的第二种类型是仿星器。 无论EAST怎么刷纪录，依然无法改变托卡马克的缺点：太复杂。依靠外部线圈和等离子体电流产生的耦合磁场，一起约束等离子体。这样的设计非常微妙，一旦出现扰动瞬间就会放大，导致系统崩溃。其实一开始大家就觉得托卡马克很棘手，所以苏联想出托卡马克时，仿星器的设计也差不多同时间提出来。 仿星器的思路是：所有的磁场都由外部线圈提供而不用等离子体电流，所以只要保持线圈稳定，磁场就能稳定，这样就提高了系统的稳定性。
想法很好，可是由于聚变等离子体特性，使得磁场分布也很奇特，进而导致线圈也设计得很奇特。 早期计算机的模拟能力差，线圈加工难度也很大，线圈最终产生什么样的磁场全靠缘分，所以仿星器一开始就不热门。欧洲各国、美国、日本都做过仿星器，后来苏联把托卡马克做出Q值后，仿星器“失宠”就更严重了，美国甚至还把仿星器直接改成了托卡马克。 随着托卡马克陷入瓶颈，超级计算机的性能发展，仿星器又重出江湖。于是，当年的仿星器制造高手德国再度出手，世界上最大的仿星器文德尔施泰因（Wendelstein）7-X于2015年实现点火。
磁约束还有第三条路：反场箍缩。大致原理是纵向磁场由外部线圈产生，极向磁场则完全由等离子体电流产生。不过，目前来看这路子也不好走，美国做了快20年反场箍缩，约束时间还停留在毫秒级（托卡马克已经几百秒了），中国的“科大一环”、意大利的RFX、日本的TPE-RX、瑞典的EXTRAP-T2R也全都在萌芽状态。 苏联物理学家列夫·阿尔齐莫维奇（Lev Artsimovich）说过一句至理名言：“当整个社会都需要的时候，聚变就会实现。”可控核聚变虽然困难重重，但不可否认，当前的能源还可以支撑人类社会发展很多年，聚变确实不算是现在最紧迫的事情。 ITER计划准备于2025年实现点火，2035年开始氘氚反应实验，即便一切顺利，ITER也只是一个实验聚变堆，无法发电。想要发电还得重新建一个商业聚变堆，时间就不好说了。
好在，2017年，中国聚变工程实验堆项目（CFETR）正式启动，计划2035年建成聚变工程实验堆，2050年建成聚变商业示范堆，实现聚变发电。 人类技术进入原子核层面后，想象空间确实大了很多，在很多问题上不再像只有化学反应时那么绝望，尤其是航天领域，走出太阳系这么大的事居然也可以憧憬了。
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