圖①為科研人員在全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置真空室工作。

圖②為新一代“人造太陽(yáng)”中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置。

圖片來(lái)源：影像中國(guó)

萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)?？茖W(xué)家們長(zhǎng)期致力于利用太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類(lèi)開(kāi)發(fā)一種源源不斷的清潔能源。因此，在地球上以探索清潔能源為目標(biāo)的受控核聚變研究裝置又被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。聚變?nèi)剂想梢詮暮Ｋ刑崛?，一升海水中的氘發(fā)生聚變反應(yīng)釋放的能量相當(dāng)于燃燒300升汽油。有人甚至說(shuō)，聚變能一旦實(shí)現(xiàn)，人類(lèi)的文明發(fā)展將不再受制于能源。我們可以在寒冷的冬天種植熱帶水果，全天候不間斷地為糧食作物提供光源，星際旅行也將不再是夢(mèng)想。

2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出：“我國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”能源安全、環(huán)境問(wèn)題和氣候變化等問(wèn)題日益突出，成為21世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。核聚變能以其資源豐富、環(huán)境友好和固有安全性等優(yōu)勢(shì)將成為人類(lèi)未來(lái)的理想能源，是目前認(rèn)識(shí)到的解決人類(lèi)社會(huì)能源與環(huán)境問(wèn)題的終極途徑之一，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的有效技術(shù)方案之一。我國(guó)核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略中，將聚變能作為解決能源問(wèn)題的終極目標(biāo)。

“人造太陽(yáng)”從“核”而來(lái)

眾所周知，原子能的利用包括核裂變和核聚變。核裂變是將較重的原子核分裂為較輕的原子核并釋放出能量。而核聚變則是將較輕的原子核聚合反應(yīng)而生成較重的原子核，并釋放出巨大能量。太陽(yáng)等恒星之所以發(fā)光發(fā)熱，正是因?yàn)槠鋬?nèi)部持續(xù)不斷地進(jìn)行著輕核間的核聚變反應(yīng)。人類(lèi)在上世紀(jì)50年代初成功試爆了第一顆氫彈，但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應(yīng)，不能作為提供能源的手段。自那以后，人類(lèi)便致力于受控核聚變研究。

受控核聚變實(shí)現(xiàn)的方式主要有兩種——磁約束核聚變和慣性約束核聚變。其中磁約束核聚變是用強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)約束高溫核聚變?nèi)剂?。?shí)現(xiàn)受控核聚變的條件十分苛刻，一是燃料需達(dá)到極高的溫度(1億攝氏度以上)，但極端高溫下的燃料無(wú)法用普通固體容器來(lái)盛裝，為此，科學(xué)家們提出用強(qiáng)磁場(chǎng)的方式來(lái)約束處于極高溫下的聚變?nèi)剂?二是具有足夠的密度，從而提高燃料原子核之間碰撞而發(fā)生核聚變反應(yīng)的概率;三是具備足夠長(zhǎng)的能量約束時(shí)間，將高溫高密度的核反應(yīng)條件維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，才能使核聚變反應(yīng)得以持續(xù)進(jìn)行。也就是說(shuō)，燃料離子溫度、密度、能量約束時(shí)間，這三個(gè)參數(shù)的乘積(“聚變?nèi)朔e”)必須達(dá)到一定值，才能滿(mǎn)足聚變“點(diǎn)火”條件，實(shí)現(xiàn)受控核聚變。因此，核聚變?cè)黼m然簡(jiǎn)單，但聚變能開(kāi)發(fā)卻面臨一系列科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)。

國(guó)際磁約束受控核聚變研究始于上世紀(jì)50年代，經(jīng)歷了從最初的少數(shù)幾個(gè)核大國(guó)進(jìn)行秘密研究、技術(shù)解密，再到世界范圍內(nèi)開(kāi)放合作、共同參與的研究階段。在研究進(jìn)程中，也先后探索了箍縮、磁鏡、仿星器、托卡馬克等眾多途徑，目標(biāo)都圍繞如何提高等離子體的關(guān)鍵參數(shù)，最終滿(mǎn)足受控核聚變反應(yīng)的條件。從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，托卡馬克途徑逐漸顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為磁約束核聚變研究的主流途徑。國(guó)際磁約束聚變界通過(guò)幾十年努力，在核聚變研究領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，裝置的“聚變?nèi)朔e”提升了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但要實(shí)現(xiàn)受控核聚變，關(guān)鍵技術(shù)上仍存在很大挑戰(zhàn)，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃提出，其目的就是希望通過(guò)國(guó)際合作，建造一座核聚變反應(yīng)堆，以驗(yàn)證核聚變能和平利用的科學(xué)可行性和工程技術(shù)可行性。

2006年11月，中國(guó)、歐盟等七方簽署啟動(dòng)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃協(xié)定。目前，該計(jì)劃是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，將集成當(dāng)今國(guó)際上受控磁約束核聚變的主要科學(xué)技術(shù)成果，解決大量技術(shù)難題。首次建造可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)的聚變實(shí)驗(yàn)堆，是實(shí)現(xiàn)“人造太陽(yáng)”能源夢(mèng)想的關(guān)鍵一步，因此備受各國(guó)政府與科技界重視和支持。

我國(guó)核聚變技術(shù)取得一系列突破

我國(guó)的受控核聚變研究幾乎與國(guó)際同步。1956年，正值我國(guó)制定“十二年科技規(guī)劃”之際，錢(qián)三強(qiáng)、李正武等科學(xué)家倡議在我國(guó)開(kāi)展“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究，以探索核聚變能的和平利用。1965年，我國(guó)成立聚變能開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)研究基地，并于1984年建成我國(guó)核聚變領(lǐng)域第一座大科學(xué)裝置——中國(guó)環(huán)流器一號(hào)托卡馬克裝置。它是我國(guó)核聚變研究史上的一個(gè)重要里程碑，其成功建造與運(yùn)行，為我國(guó)自主設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了人才隊(duì)伍。

自2008年我國(guó)科學(xué)技術(shù)部成立國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆核聚變中心以來(lái)，我國(guó)陸續(xù)承擔(dān)了18個(gè)采購(gòu)包的制造任務(wù)，共有上百家科研院所、企業(yè)直接參與。在核聚變中心的領(lǐng)導(dǎo)和組織協(xié)調(diào)下，核工業(yè)西南物理研究院及中科院等離子體物理研究所等單位，充分發(fā)揮在聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置和聚變堆關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面的優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)院校及企業(yè)展開(kāi)了技術(shù)攻關(guān)。

我國(guó)承擔(dān)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆采購(gòu)包任務(wù)進(jìn)展順利，取得了一系列技術(shù)突破。比如，我國(guó)研發(fā)的第一壁采購(gòu)包半原型部件在2016年成功通過(guò)高熱負(fù)荷測(cè)試，在世界上率先通過(guò)認(rèn)證，同時(shí)也帶動(dòng)了我國(guó)其他相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展。2019年9月，中核集團(tuán)牽頭的中法聯(lián)合體與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆組織簽訂了ITER主機(jī)安裝一號(hào)合同，這是有史以來(lái)中國(guó)企業(yè)在歐洲市場(chǎng)中競(jìng)標(biāo)的最大核能工程項(xiàng)目合同。該合同的簽訂標(biāo)志著我國(guó)核聚變技術(shù)與人才積累、核電建設(shè)能力獲得國(guó)際認(rèn)可。

參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃10多年來(lái)，我國(guó)在聚變領(lǐng)域的科研實(shí)力大幅提升，在聚變等離子體物理、聚變堆材料、加熱與控制技術(shù)等領(lǐng)域的研發(fā)能力和技術(shù)水平取得長(zhǎng)足進(jìn)步，中國(guó)核聚變技術(shù)由跟跑轉(zhuǎn)向并跑，部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑。

此外，中國(guó)在托卡馬克實(shí)驗(yàn)和物理研究方面也取得了一系列創(chuàng)新性成果，多個(gè)裝置為前沿聚變物理研究提供了重要平臺(tái)。比如，中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置實(shí)現(xiàn)由低約束模式到高約束模式運(yùn)行，使我國(guó)躋身成功實(shí)現(xiàn)高約束模式運(yùn)行的少數(shù)國(guó)家之一;東方超環(huán)裝置率先實(shí)現(xiàn)了百秒量級(jí)高約束模式運(yùn)行。

力爭(zhēng)本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)聚變能應(yīng)用

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃是聚變能發(fā)展中的關(guān)鍵一步，也是各國(guó)聚變能發(fā)展路線圖中的關(guān)鍵設(shè)施。計(jì)劃一旦達(dá)到目標(biāo)，人類(lèi)將在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)聚變能的應(yīng)用。

當(dāng)前，相關(guān)國(guó)家正集中力量完成該計(jì)劃采購(gòu)包等任務(wù)并保障資源，確保國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的成功建設(shè)與運(yùn)行。一方面利用現(xiàn)有不同規(guī)模的磁約束聚變研究裝置，開(kāi)展聚變等離子體物理與相關(guān)技術(shù)研究，尤其是與ITER計(jì)劃相關(guān)的先行物理實(shí)驗(yàn)及有關(guān)技術(shù)研發(fā)。2020年，我國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”——中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置在四川成都建成，它是我國(guó)目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的先進(jìn)托卡馬克裝置，將為我國(guó)深度參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃及未來(lái)自主設(shè)計(jì)、建造聚變堆提供重要技術(shù)支撐。

另一方面，積極謀劃并開(kāi)展未來(lái)聚變堆關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。當(dāng)前聚變能研發(fā)已逐步進(jìn)入聚變堆核工程可行性階段。在參加國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃同時(shí)，我國(guó)聚變研究應(yīng)以未來(lái)建堆所涉及的前沿科學(xué)技術(shù)為攻關(guān)方向，開(kāi)展聚變堆總體設(shè)計(jì)、聚變堆芯關(guān)鍵技術(shù)等研發(fā)，發(fā)展聚變能開(kāi)發(fā)核心技術(shù)，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)與ITER計(jì)劃相關(guān)的聚變能技術(shù)研究和創(chuàng)新。培養(yǎng)一支穩(wěn)定的高水平核聚變能研發(fā)隊(duì)伍，培育和帶動(dòng)一批企業(yè)全面參與聚變堆關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與部件設(shè)計(jì)制造，建設(shè)和完善國(guó)家聚變能研發(fā)體系，建立國(guó)際一流研究平臺(tái)。

我們將發(fā)揚(yáng)協(xié)同創(chuàng)新精神，夯實(shí)自立自強(qiáng)根基，實(shí)現(xiàn)“人造太陽(yáng)”在本世紀(jì)中葉閃耀世界的能源夢(mèng)想。

(作者為中核集團(tuán)核聚變堆技術(shù)首席專(zhuān)家)

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《逐日之路：人造太陽(yáng)點(diǎn)亮能源夢(mèng)想》：馬明義著;科學(xué)出版社出版。

《聚變情懷終不改——李正武傳》：朱宇光等著;上海交通大學(xué)出版社、中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社出版。

《宇宙能源——聚變》：加里·麥克拉肯、彼得·斯托特著;原子能出版社出版。

制圖：趙偲汝