人工太阳，点亮人类动力愿望（开卷知新）

图①为科研人员在全超导托卡马克核聚变试验设备真空室作业。

图②为新一代“人工太阳”我国环流器二号M设备。

图片来历：印象我国

万物生长靠太阳。科学家们长时刻致力于使用太阳发光发热的原理，为人类开发一种连绵不断的清洁动力。因而，在地球上以探究清洁动力为方针的受控核聚变研讨设备又被称为“人工太阳”。聚变燃料氘能够从海水中提取，一升海水中的氘产生聚变反响开释的能量相当于焚烧300升汽油。有人乃至说，聚变能一旦完结，人类的文明展开将不再受制于动力。咱们能够在冰冷的冬季栽培热带生果，全天候不间断地为粮食作物供给光源，星际游览也将不再是愿望。

2020年中心经济作业会议提出：“我国二氧化碳排放力求2030年前到达峰值，力求2060年前完结碳中和。”动力安全、环境问题和气候变化等问题日益突出，成为21世纪人类社会面对的最严峻应战之一。核聚变能以其资源丰厚、环境友好和固有安全性等优势将成为人类未来的抱负动力，是现在认识到的处理人类社会动力与环境问题的终极途径之一，是完结碳中和方针的有用技能方案之一。我国核能展开“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略中，将聚变能作为处理动力问题的终极方针。

“人工太阳”从“核”而来

众所周知，原子能的使用包含核裂变和核聚变。核裂变是将较重的原子核分裂为较轻的原子核并开释出能量。而核聚变则是将较轻的原子核聚合反响而生成较重的原子核，并开释出巨大能量。太阳等恒星之所以发光发热，正是由于其内部继续不断地进行着轻核间的核聚变反响。人类在上世纪50年代初成功试爆了第一颗氢弹，但氢弹爆破是不可控的核聚变反响，不能作为供给动力的手法。自那今后，人类便致力于受控核聚变研讨。

受控核聚变完结的方法首要有两种——磁束缚核聚变和惯性束缚核聚变。其间磁束缚核聚变是用强磁场来束缚高温核聚变燃料。完结受控核聚变的条件非常严苛，一是燃料需到达极高的温度(1亿摄氏度以上)，但极点高温下的燃料无法用一般固体容器来盛装，为此，科学家们提出用强磁场的方法来束缚处于极高温下的聚变燃料;二是具有满意的密度，然后进步燃料原子核之间磕碰而产生核聚变反响的概率;三是具有满意长的能量束缚时刻，将高温高密度的核反响条件保持满意长的时刻，才干使核聚变反响得以继续进行。也便是说，燃料离子温度、密度、能量束缚时刻，这三个参数的乘积(“聚变三乘积”)有必要到达必定值，才干满意聚变“焚烧”条件，完结受控核聚变。因而，核聚变原理尽管简略，但聚变能开发却面对一系列科学技能应战。

国际磁束缚受控核聚变研讨始于上世纪50年代，阅历了从开端的少量几个核大国进行隐秘研讨、技能解密，再到国际范围内敞开协作、一起参加的研讨阶段。在研讨进程中，也先后探究了箍缩、磁镜、仿星器、托卡马克等很多途径，方针都环绕怎么进步等离子体的要害参数，终究满意受控核聚变反响的条件。从上世纪70年代开端，托卡马克途径逐渐显示出一起优势，成为磁束缚核聚变研讨的干流途径。国际磁束缚聚变界经过几十年尽力，在核聚变研讨范畴获得了重大展开，设备的“聚变三乘积”提高了几个数量级，但要完结受控核聚变，要害技能上仍存在很大应战，需凝集全国际之力一起霸占。1985年，国际热核聚变试验堆(ITER)方案提出，其意图便是期望经过国际协作，制作一座核聚变反响堆，以验证核聚变能和平使用的科学可行性和工程技能可行性。

2006年11月，我国、欧盟等七方签署发动国际热核聚变试验堆方案协议。现在，该方案是全球规划最大、影响最深远的国际科研协作项目之一，将集成当今国际上受控磁束缚核聚变的首要科学技能效果，处理很多技能难题。初次制作可完结大规划聚变反响的聚变试验堆，是完结“人工太阳”动力愿望的要害一步，因而备受各国政府与科技界注重和支撑。

我国核聚变技能获得一系列打破

我国的受控核聚变研讨简直与国际同步。1956年，正值我国拟定“十二年科技规划”之际，钱三强、李正武等科学家建议在我国展开“可控热核反响”研讨，以探究核聚变能的和平使用。1965年，我国树立聚变能开发专业研讨基地，并于1984年建成我国核聚变范畴第一座大科学设备——我国环流器一号托卡马克设备。它是我国核聚变研讨史上的一个重要里程碑，其成功制作与运转，为我国自主规划、制作、运转核聚变试验研讨设备堆集了丰厚经历，培养了人才部队。

自2008年我国科学技能部树立国际热核聚变试验堆核聚变中心以来，我国连续承当了18个收购包的制作使命，共有上百家科研院所、企业直接参加。在核聚变中心的领导和安排协调下，核工业西南物理研讨院及中科院等离子体物理研讨所等单位，充分发挥在聚变试验研讨设备和聚变堆要害技能研制方面的优势，联合国内相关院校及企业展开了技能攻关。

我国承当的国际热核聚变试验堆收购包使命展开顺畅，获得了一系列技能打破。比方，我国研制的第一面收购包半原型部件在2016年成功经过高热负荷测验，在国际上首先经过认证，一起也带动了我国其他相关范畴技能展开。2019年9月，中核集团牵头的中法联合体与国际热核聚变试验堆安排签定了ITER主机设备一号合同，这是有史以来我国企业在欧洲商场中竞标的最大核能工程项目合同。该合同的签定标志着我国核聚变技能与人才堆集、核电制作才能获得国际认可。

参加国际热核聚变试验堆方案10多年来，我国在聚变范畴的科研实力大幅提高，在聚变等离子体物理、聚变堆资料、加热与操控技能等范畴的研制才能和技能水平获得长足进步，我国核聚变技能由跟跑转向并跑，部分技能完结领跑。

此外，我国在托卡马克试验和物理研讨方面也获得了一系列立异性效果，多个设备为前沿聚变物理研讨供给了重要渠道。比方，我国环流器二号A设备完结由低束缚形式到高束缚形式运转，使我国跻身成功完结高束缚形式运转的少量国家之一;东方超环设备首先完结了百秒量级高束缚形式运转。

力求本世纪中叶完结聚变能使用

国际热核聚变试验堆方案是聚变能展开中的要害一步，也是各国聚变能展开道路图中的要害设备。方案一旦到达方针，人类将在本世纪中叶完结聚变能的使用。

当时，相关国家正集中力量完结该方案收购包等使命并保证资源，保证国际热核聚变试验堆的成功制作与运转。一方面使用现有不同规划的磁束缚聚变研讨设备，展开聚变等离子体物理与相关技能研讨，尤其是与ITER方案相关的先行物理试验及有关技能研制。2020年，我国新一代“人工太阳”——我国环流器二号M设备在四川成都建成，它是我国现在规划最大、参数最高的先进托卡马克设备，将为我国深度参加国际热核聚变试验堆方案及未来自主规划、制作聚变堆供给重要技能支撑。

另一方面，活跃策划并展开未来聚变堆要害技能的研制。当时聚变能研制已逐渐进入聚变堆核工程可行性阶段。在参加国际热核聚变试验堆方案一起，我国聚变研讨应以未来建堆所触及的前沿科学技能为攻关方向，展开聚变堆总体规划、聚变堆芯要害技能等研制，展开聚变能开发核心技能，加强国内与ITER方案相关的聚变能技能研讨和立异。培养一支安稳的高水平核聚变能研制部队，培养和带动一批企业全面参加聚变堆要害技能攻关与部件规划制作，制作和完善国家聚变能研制系统，树立国际一流研讨渠道。

咱们将发扬协同立异精力，夯实自立自强根基，完结“人工太阳”在本世纪中叶闪烁国际的动力愿望。

(作者为中核集团核聚变堆技能首席专家)

引荐读物：

《逐日之路：人工太阳点亮动力愿望》：马明义著;科学出书社出书。

《聚变情怀终不改——李正武传》：朱宇光等著;上海交通大学出书社、我国科学技能出书社出书。

《世界动力——聚变》：加里·麦克拉肯、彼得·斯托特著;原子能出书社出书。

制图：赵偲汝