人造太阳:探索发展核聚变能源的途径

目前，合肥科学岛充满无限生机和活力。在岛的中央，矗立着一座看起来像宇宙飞船的建筑。中国科学院合肥研究所等离子体研究所——；在大楼深处，有一个科学仪器——全超导托卡马克核聚变实验装置(简称EAST)，俗称“人造太阳”。

这一由中国自主设计建造的核聚变实验装置，创造了多项等离子体运行的世界纪录，代表了我国高温等离子体运行物理学和工程学中磁约束聚变研究的研究水平，为全人类核聚变清洁能源的开发利用奠定了重要的技术基础。

人造太阳是什么样子的？什么时候对人类有利？不久前，记者进行了实地考察。

一旦人类掌握了核聚变能源，他们将拥有可使用数十亿年的清洁能源。

尽管事先做了一些功课，但这个怪物在谈到“人造太阳”时仍然令人震惊。该装置主体高11米，直径8米，重400吨。周围有很多供电、制冷等辅助设备。它的核心结构是一个环形磁性容器“托卡马克”。

访问当天，“人造太阳”没有进行实验。大约十几名研究人员拿着测试工具，在设备主体上爬上爬下，维护和更新设备。装置中有大量零件，材料和工艺完全依靠自主研发。自2006年完成以来，该装置一直得到维护，其部件每年更新，以确保实验的顺利进行。

俗话说，万物生长在太阳上。核聚变无时无刻不在太阳中发生，给自然界带来了最常见的能源。所谓“人造太阳”，是指充分利用这一科学原理，在地球上建造核聚变装置，核聚变反应像太阳一样发生，从而不断产生能量。严格来说，“人造太阳”这个称号并不是东方超环独有的，而是可以被任何应用类似原理的设备调用的。

「人造太阳」有什么重要性？

这要从核聚变能源的优势说起。与核裂变相比，核聚变不具有放射性。氘氚反应的产物是氦，对环境无害。一旦引起反应的等离子体熄灭，聚变反应将终止。核聚变的原料储备也很丰富，氘可以直接从海水中提取，氚可以通过中子和锂反应产生。据估计，核聚变反应后从一升海水中提取氘所释放的能量相当于300升汽油完全燃烧所释放的能量。核聚变能源具有资源无限、清洁环保、无高放射性核废料等优点，是解决全球能源问题的重要途径之一。人类一旦掌握了核聚变能源，就有了可以使用几十亿年的清洁能源。

东方超环的科学仪器对核聚变能源的实现有什么贡献？

中国科学院合肥研究所副所长、等离子体研究所所长宋运涛介绍，该科学仪器的科学目标是从初步基础研究开始，对受控核聚变相关前沿物理问题进行探索性实验研究，同时注重物理理论突破，验证工程可行性，为未来建设真正的商用聚变堆和电站奠定基础。

核聚变发生在太阳内部，主要依靠行星的引力来约束等离子体。但是地球上没有那么多引力，所以要想让能量不受控制，就需要用磁场来约束。可控热核聚变的实现离不开超高温、超低温、超强磁场、超高电流、超高真空的极端环境。科学家利用磁场制作“托卡马克”的“磁笼”，牢牢控制高温物质，磁场外部被真空隔离，保护装置材料不被烧毁。

虽然主流的受控核聚变方法不仅包括磁约束，还包括惯性约束和引力约束，但磁约束在实验室条件下接近成功，也是国际上的主流研究方向。因此，托卡马克核聚变实验装置被认为是探索和解决未来稳态聚变堆工程和物理问题的最有效途径，也是地球寻找聚变能出路的希望。

在东方超级环的科学仪器的驱动下，一系列的创新已经产生

从5000万摄氏度放电30秒到60秒，再到100秒，再到1亿摄氏度放电20秒.东方超环不断刷新放电记录。如果1亿摄氏度的高温能长期保持，放电时间接近1000秒，那就证明人类离解决核聚变的商业应用还很远。

成长的每一秒在科学上都是极其艰难的，背后是研究者们的日以继夜的研究和心血。

实现可控热核聚变和稳态约束等离子体是国际上共同的科学问题。根据物理学理论的“劳森准则”，核聚变的点火条件包括核聚变燃料的温度、密度和约束时间。等离子体研究所的严蓉博士认为，为了实现聚变反应，聚变燃料应在1亿摄氏度以上完全电离，高温等离子体应保持相对较长的时间不泄漏或逃逸，以便释放足够的能量。托卡马克中的高温物质就像一群顽皮的孩子在玩耍、玩耍，难以控制。温度、密度、时间缺一不可。只有将它们协调到最佳状态，才能实现稳态约束。

除了科学实验的难度之外，该装置作为一个集成系统，对工程配合的要求极高。据了解，科学仪器共有48个窗口，部件数量相当于5架波音777飞机的部件总和。短短几十秒，任何一个部分失效，任何一个不该出现的水滴，任何一个停滞的环节都会导致实验风险。研究者不愿日夜实验调试，希望能更准确地掌握等离子体的基本特性，研究和改善磁笼的形状和性质，在看似混沌的现象中探索科学规律，为长期等离子体稳定性约束提出最佳的运行方案。

科学仪器是高科技和尖端技术的结合，其承载意义早已超越了对科学目标的追求。在东方超环科学仪器的带动下，衍生出了一系列重要的创新成果，形成了超导技术、低温技术、等离子技术、生物技术、材料技术、机器人技术等一批产业技术板块，推动了一大批高科技成果的转移和转化，实现了“一路摘瓜”、“一路下蛋”。

比如，质子和重离子放疗是目前国际公认最尖端的放射治疗技术，一直被发达国家所垄断。等离子体所利用大科学装置的超导技术，积极研制国内首套具有自主知识产权的医用超导质子癌症治疗系统，将大幅降低患者治疗费用。

此外，等离子体还能治疗皮肤病，有广谱抗菌、加速凝血、促进细胞增殖、无耐药性及副作用等优点；等离子体所将大科学装置离子束技术引入生物学科，致力于微生物新菌种的创制、发酵调控、产物分离分析及终端产品的研究和产业转化。

据介绍，我国的核聚变研究与国际基本同步，甚至在聚变某些技术领域确立了领跑地位，在超导、稳态控制、加热等方面巩固了中国特色。有国外期刊称赞“中国创造了聚变历史”“在这里科学价值得到极大体现”。

以东方超环项目为依托，科研人员参与了目前全球规模最大的国际科研合作项目。在国际科技合作方面，东方超环作为国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放平台之一，积极开展国际联合实验，促进了全面开放共享。

更重要的是，以这个项目为依托，我国科研人员参与了目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目ITER（国际热核聚变实验堆计划）。该计划的目标是在和平利用聚变能的基础上，探索聚变在科学和工程上的可行性。包含中国在内的多个国家参与了这个国家大科学项目，举多国合力向受控聚变实验堆迈进。

“东方超环很像ITER的缩小版，运行模式也都是采用了长脉冲高约束。我国科研人员在这个装置上摸爬滚打这么多年，每个材料都摸过，每个环节都练过，真正积累了等离子体运行的实际经验，能在科学原理和工程建设上为ITER提供宝贵参考经验。”宋云涛说。

当前，我国承担了ITER10%左右的采购包，其中七成由中科院合肥研究院等离子体所承担。科研人员勇于担当，直接争取到ITER最重要的核心设备“超导磁体”的建造任务。这个任务风险很大，但科研人员不畏艰难，高效高质交付了18个采购包制造内容，涵盖了ITER装置几乎所有关键部件, 由上百家科研院所和企业承担。大电流高温超导直流电缆、脉冲高压变电站首台主变压器……自主研发的各项设备运到欧洲，获得了合作伙伴的高度认可。也正因为他们的出色表现，我国直接拿下了整个装置的总装任务。2020年10月，ITER计划启动主体安装工作，我国科研人员恪守承诺，确保安装进度正常。

参与ITER项目十几年，我国科研团队获得了深度参与国际科研合作项目的机会，积累了建造“人造太阳”的经验，在材料科学、超导技术等领域研发能力得到进步，为中国建造聚变工程实验堆（CFETR）奠定了基础。

“许多研究物理的年轻人通过在ITER的历练，开阔了眼界，锻炼了本领，回国后成为‘挑大梁’的骨干。”宋云涛说，许多与合肥院合作的国内企业，在生产超导材料、打造零部件方面达到水平一流，积累了国际工程管理、国际合作经验；一些企业甚至走出国门，拿到了国际订单。

“作为东方超环的科研团队，我们感到责任重大、使命光荣。近期，我们希望通过努力，向超高温度更长时间的放电努力，产出一批原创性、战略性、集成性创新成果；长期而言，我们盼望着能够实现大科学装置能量输出大于输入，争取在2040年前后建成聚变电站，让千家万户早日用上核聚变能源，实现清洁能源梦想。”宋云涛说。