“人造太阳”即将升起

李忠东

太阳的光和热来自太阳的核聚变，氢原子核在太阳的核心处碰撞，融合成更重的氦原子，并释放出大量能量，成为太阳的能量来源，也是维持地球生命的能量来源。

据科学家测算，太阳每秒钟释放的能量相当于900亿个当量在百万吨级核弹爆炸所释放的能量，地球能够接收到的太阳发出的能量，占比仅仅达到二十二亿分之一。可就是这么一点看似不起眼的比例，为地球维持相对稳定的温度、生命体的诞生和生物的发展演化提供了充足的保障。在构成太阳的物质中，氢元素和氦元素占太阳总质量的98.2%（其中以氢元素为主，占71%左右），氧、碳、铁、氖、氮、硅、镁等元素组成剩下不到2%的质量。太阳之所以能将氢的同位素氘和氚聚合成氦，释放出取之不竭的热核聚变能源，在于它内部有1.5亿°C以上的高温和3000亿个大气压的超高气压。

随着全球人口增长和经济发展，能源需求将持续增长，寻找未来能源成为当务之急。2020年12月4日，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电，这意味着中国再度加快了在未来能源探索方面的步伐。

人类未来能源的希望

地球化石燃料有限、不可再生，而且有污染;风能和水能不稳定;人类核电站所用的核裂变原料有限，还核废料有放射性污染。而可控核聚变不排放有害气体，有利于解决当前的环境污染问题。核聚变的原料是氢的同位素（氘和氚），地球上含量极为丰富。氘在海水中储量极大，1升海水里提取出的氘，在完全聚变反应后，可释放相当于燃烧300升汽油的能量。科学家提出，既然太阳的能量来自其内部的核聚变反应，那么人类也可以模拟太阳产生能量的原理，研发人为可控核聚变技术制造“太阳”。

从核裂变到核聚变，从不可控到可控，虽然仅一字之差，但技术难度的差别太大了。科学家发现，在实验室环境下，最有效的聚变反应是氘和氚之间的反应，能在所谓“最低的温度”下产生最高的能量增益。要进行核聚变反应，首先必须提高物质的温度，使原子核和电子分开，处于这种状态的物质称为等离子体。但是，都带正电的原子核之间会互相排斥，很难接近彼此。想要发生核聚变，必须保证等离子体的温度（增加发生碰撞的可能性）、密度和封闭时间（等离子体很快就会飞散开来，所以必须先将其封闭）。

在太阳里，可以利用巨大的引力使等离子体封闭。那么，在实验室中怎么办呢？一种方法便是利用磁场。当等离子体带电时，电荷被卷在磁力线上。只要制造出磁场，就能够将等离子体封闭，使它们悬浮在真空中。20世纪50年代，科学家首次提出托卡马克的概念。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，中央设计成一个环形真空，外面围绕着线圈，氘和氚被注入托卡马克。通电时，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，加热直到它们变成等离子体。当等离子体达到1.5亿摄氏度时，即发生聚变。原子聚变产生的能量以热的形式被容器壁吸收，就像传统的发电厂一样，聚变发电厂将利用这些热量产生蒸汽，然后通过涡轮和发电机发电。

中国环流器二号M装置实现首次发电

我国20世纪50年代着手可控聚变研究，目前一直处在国际先进水平，在全球民用核聚变技术方面走在世界最前列。1970年开始自主设计、研发投建第一座“人造太阳”实验装置——“中国环流器一号”，直至1984年建成。在“中国环流器一号”的基础上，经过重新改建，1994年“中国环流器新一号”竣工建成。2002年又建成了第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置——“中国环流器二号A”（HL-2A）。在前三座装置的基础积累下，“中国环流器二号M”（HL-2M）成功改造升级，成为我国规模最大、参数最高的先进磁约束托卡马克装置。中国环流器二号M装置（HL-2M）是我国自主设计建造，采用了先进的结构和控制方式，具有先进的偏滤器位形的优势。它的体积是目前国内现有装置的两倍以上，等离子体电流的能力可以提高到2.5兆安培，等离子体离子的温度可以达到1.5亿°C，相当于太阳核心温度的10倍。

在中国环流器二号M装置（HL-2M）的建设过程中，核工业西南物理研究院联合国内多家研制单位，在装置物理与结构设计、特殊材料研制、材料连接与关键部件研发、总装集成等方面取得了多项突破，实现了可拆卸线圈结构，增强了控制运行水平，提升了装置的物理实验研究能力;攻克了高镍合金双曲面薄壁件大型真空容器模压成型和焊接变形控制等关鍵技术;掌握了具有国际先进水平的异形铜合金厚板材制造成型工艺，实现了高强度膨胀螺栓组件的自主国产化;研制成功具有国际先进水平的国内首台大型立轴脉冲发电机组。以中国环流器二号M装置（HL-2M）建设为牵引，西物院掌握的特种材料、关键设备、极端条件精密制造等关键技术，已形成“同步辐射”效应，在航空、航天、电子等前沿领域实现创新应用。

核聚变实验的世界主流是强磁场约束托卡马克聚变，“东方超环”（EAST）是我国第四代核聚变实验装置，也是全球首个非圆截面全超导托卡马克聚变装置。作为国际热核聚变实验堆（ITER）的前沿实验基地，EAST控制大厅的很多参数是共享的，吸引着来自各国的科学家。他们围绕高参数长脉冲等离子体相关科学技术问题进行很多国际联合实验，获得了一系列新成果和大量的科学实验数据，为未来更高参数的长脉冲物理实验奠定了很好的科学技术基础。

2017年12月5日，由中国自主设计和研制并联合国际合作的重大科学工程——中国聚变工程实验堆（CFETR）正式启动。CFETR计划分三步走：第一阶段到2021年，开始立项建设;第二阶段到2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验;第三阶段到2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆，完成人类终极能源。CFETR对解决能源危机问题具有重要意义，将推动我国跨入世界聚变能研究开发先进行列，成为参与全球科技竞争与合作的重要力量。我们对未来充满信心，第一个点亮核聚变之光的一定是中国。

携手播种“太阳”

虽然世界上已经有数百个托卡马克被建造出来了，但要利用托卡马克装置实现对热核聚变的控制，在关键技术上仍存在很大挑战，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年提出的国际热核聚变实验堆（ITER）计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，旨在为大规模核聚变进行概念验证，包括验证核反应堆级别的装置主机集成技术、验证装置的稳定运行能力、实现聚变反应的输出功率至少10倍于输入功率和演示50万千瓦聚变反应功率的可靠运行。

ITER是第一个实现“燃烧”或自加热等离子体的项目，远远超过以往的尝试，将成为世界上最大的，也是第一个真正意义上的“人造太阳”。在法国南部建造的这个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克装置，验证如何将足够多的燃料在极端高温条件下约束足够长的时间，使它受控制地发生核聚变反应。整套装置高30米，直径28米，重达2.3万吨，包含数百万个零件，其中超导磁体重近3000吨，由超导电缆连接。ITER将历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。

我国在发展可控聚变技术的同时，也注重加强国际合作，2003年正式加入ITER计划。作为ITER计划7个合作方（中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度）之一，我国承担了其中约9%的科研建设任务，同时享有5%以上的职员配比。随着ITER计划的推进和我国科技实力的增强，这一比例在不断上升。无论是在执行进度还是在完成质量方面，均处于其他合作方的前列，且创造了多项技术第一。2020年6月，由中科院合肥研究院等离子体所自主研制的极向场6号超导线圈运抵ITER总装现场。该线圈总重超400吨，是实验堆主机最重要的构件之一，也是目前国际上质量最大、研制难度最高的超导磁体。中国以快速的工程反应和科研进步，成为各合作方中兑现国际承诺的典范。

2020年7月28日，ITER在法国南部卡达拉舍举行安装启动仪式，开始了为期5年的组装阶段，标志着这个人类历史上最大的核聚变项目进入新的阶段。组装过程完成后，该设施将模拟太阳产生能量的核聚变过程，开始产生聚变能量所需的超热等离子体。第一个超热等离子体预计将在2025年底产生，不过这一项目仍存在一些技术挑战。

2020年8月31日，ITER托卡马克装置杜瓦下部筒体吊装工作圆满完成，拉开了国际热核聚變实验堆主设备安装序幕。杜瓦下部筒体直径30米，高10米，重约400吨，尺寸大约占ITER托卡马克装置的1/3。作为ITER计划工程安装启动仪式后的第一个重大部件安装，精度和形变控制要求极高。中国核工业集团有限公司牵头的中法联合体技术团队承担了此次吊装，技术人员反复进行计算确认，对吊具的尺寸、现场吊装路径以及用于就位调整的工具进行反复模拟，在理论上确保了吊装安装工作的安全。在正式吊装前，还多次组织吊装方案推演并进行吊装试验，确保调整工具和支撑工具状态安全可用。

“我有一个美丽的愿望，长大以后能播种太阳......到那个时候，世界每一个角落，都会变得，都会变得温暖又明亮......”如果“人造太阳”商业聚变得以实现，那么这一代人很可能在有生之年看到能源的彻底革命，我们拭目以待吧！