模拟太阳产生能量的原理，在地球上建造能够可控并持续反应的核聚变装置——“人造太阳”，是人类终极能源梦想。但要造出能实用的“人造太阳”，需要上亿℃的等离子体、超过千秒的连续运行时间和1兆安的等离子体电流，挑战极大。为此，全球科学家已经努力了70多年，中国科学家则为此奋斗了40多年。

403秒！第122254次实验！4月12日21时，一项新的世界纪录诞生——正在运行的世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，刷新了2017年托卡马克装置高约束模式运行101秒的纪录。

虽然“人造太阳”还在实验阶段，核聚变研究的衍生技术正在悄然改变我们的生活：例如等离子体空气净化器、治疗癌症的“质子刀”、磁悬浮列车、核磁共振等多方面的应用正在开展。

一、核聚变是人类未来的终极能源

人类的发展史一直伴随着能源的消耗。以中华民族5000年的文明史来说，前3000年以烧木材为主。而自从人类发现了煤以后，能源消耗快速增长。在过去的一两百年时间里，随着科技的飞速发展，能源消耗急剧增长，我们目前主要依赖化石能源，也就是石油、煤等。

如今的地球人口已经突破70亿。未来，人类需要继续发展，人口还会继续增加。如果想要保持较高的社会和经济发展水平，地球上现有的化石能源将会很快消耗殆尽。估计这个时间窗口是在100年至300年。那么，化石能源消耗完以后，我们去哪里寻找稳定的能量来源呢？

说起核反应能，大家比较熟悉的是原子弹。原子弹是什么原理？核裂变原理，也就是一个大的原子核裂变为二的时候释放出巨大的能量。氢弹的原理则是利用氢的同位素（氘、氚）的核聚变反应释放出巨大的能量。虽然氢弹于1952年就试制成功，但是可控制的核聚变反应堆至今仍是科学技术上尚未解决的一大难题。

目前，世界上的460多座核电站都是利用原子弹的原理，也就是核裂变产生的能量发电。现在核电站用的原料——铀，仅需1克，就能产生相当于1.8吨石油燃烧产生的能量。如果用氘、氚的话，1克产生的能量相当于8吨的石油。正如爱因斯坦的质能方程描述的那样，哪怕1克的质量，乘以光速的平方，能量也非常巨大。

虽然核电站为全世界提供了大于10%的电力，但它仍然有两个缺陷：第一，地球上核电站的原料资源是有限的，不管是铀、钍还是钚，储量都不多，而且本质上它们也是化石燃料的一部分。第二，核裂变时产生的各种射线会对人体造成伤害，放射性物质会对周围环境造成污染。比如，三里岛事故、福冈事故以及切尔诺贝利核电站核泄漏事故，很大程度上都是人为事故。尽管总体来说核电站是安全的，如今这些事故的概率非常低——大约100万年才会发生一次，但这种概率始终是存在的。所以，目前的核电站都建在远离人群的地方。

相对而言，核聚变则具有固有的安全性。因为核聚变的原理，是把氢的同位素氘和氚加热到上亿摄氏度，它的产物是氦气和中子。中子携带能量，我们用水吸收中子，然后水就变成水蒸气，用来发电；氦气也是干净的，没有污染。所以，核聚变设施可以建在城市的中心位置，非常安全。

我们再来说说核聚变的另一个优势。1升海水可以提取0.03克的氘，其释放的能量高于340升汽油燃烧产生的能量，而全世界的海水中有大约40万吨氘，可以供我们人类使用100亿年。所以，核聚变的资源是无限的。

比较来看，一个100万千瓦的发电站，一年要烧200万吨的煤；而一个同样发电量的核裂变电站，一年需要30吨的铀；如果是核聚变电站，一年仅需消耗150千克的重水和锂。

所以，20世纪的时候，国际能源署就在探讨人类未来的终极能源是什么。3000个科学家经过3年时间的讨论，得出的结论是：人类的终极能源，80%来源于核聚变，再加上20%的可再生能源。这个结论的具体数值可能会有变化，但总的来说，人类未来的终极能源就是由核聚变和可再生能源构成的，核聚变将为人类提供绿色的、安全的、可以无限利用的能源。

二、可控核聚变为什么这么难?

既然核聚变这么有优势，为什么不早点把它研发出来?原因在于，要实现可控核聚变，必须跨越非常高的门槛，条件非常苛刻。

1958年，英国牛津大学一位刚毕业的博士劳逊，用了两年时间给出了“劳逊判据”：核聚变实现点火，必须要满足“粒子密度n、温度T、约束时间τE，三者乘积大于1021”。即温度要达到上亿摄氏度、约束时间至少要大于一秒，还要有足够多的粒子。当时，人类能达到的最好成绩是1011，理想和现实的巨大差距让劳逊博士知难而退，但全世界其它科学家仍在孜孜不倦地追求着，一直朝着这个目标努力了65年。

去年，美国科学家激光点火成功，这成为人类科学史上一个重大事件。他们在相当于三个足球场这么大的空间里，用192路激光，在不到10纳秒的时间内，打到只有胡椒粒大小的靶丸上，实现了可控核聚变点火。美国能源部表示，这是他们在70年科学历程中“最伟大的突破之一”。

实现可控核聚变的另一大难题是约束聚变粒子。我们最常见的聚变体是太阳，因为它的质量特别大，靠万有引力就可以把所有的带电离子约束住，约束时间远远大于一秒，所以它在1500万℃就可以发生聚变。

还有什么约束办法吗?因为聚变需要上亿度高温，不能用任何容器盛装，所以人类想到用强磁场把带电粒子悬浮起来，即磁约束。

我们知道，当温度足够高时，电子会飞离原子核，这就是等离子体。如果加上磁场，所有带电粒子都会围绕磁力线运动——有了磁场，粒子就被约束住了，磁场越强，约束力就越强。于是，苏联科学家由此发明了托卡马克——它就像一个“容器”，里面的磁场强度相当于地球磁场的一万倍，能让粒子在其中悬浮、旋转。

现实中，我国很早就开始着手研制托卡马克。1958年，苏联在一次国际大会上公布托卡马克的原理后，我国就在四川乐山建立了国内最大的磁约束聚变基地——中国核工业西南物理研究院。项目最早由李正武院士提出，潘垣院士作为当时的总工程师负责实施。

在安徽合肥科学岛上，从1973年开始，中国科学院也同时开展了托卡马克的研究。1989年，苏联已着手开发第二代托卡马克，有意把第一代装置T-7送给其他国家。时任中科院等离子体物理研究所所长的中科院院士霍裕平，做了一个对我国核聚变发展非常重要的决定，将已停机的T-7引入国内进行改造。

我们用两年多的时间将它拆解、改造，建成了中国第一个超导托卡马克HT-7。在这个新装置上，我们实现了优于其他国家的实验成绩。最重要的是，培养了一批包括我在内的科学家。

后来，我国的磁约束做到了60秒、1000万℃，这个成果入选了2003年度中国十大科技进展新闻。但要真正实现核聚变，除了需要点火达到上亿摄氏度的高温，还需要长时间维持。去年美国实现的激光点火是惯性约束，能量要先转换成激光。对磁约束而言，大量的能量消耗在磁笼子的产生。怎样不让磁笼子消耗能量呢?那就要靠超导。所以，必须建造新一代全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环(EAST)。

一旦说起超导，所有的问题变得既简单又复杂。说它简单，因为消耗功率大幅减少，意味着以后聚变发电，只需一点点能量就可以点火。说它难，主要有三个问题：首先，超导需要4K(-269℃)的低温，而实现聚变的温度是上亿摄氏度，怎么把这两个温度放在一起?第二，高能粒子束很容易把周边材料打坏，需要抗高温、抗高辐照的材料。第三，托卡马克对于误差有着极端的要求，哪怕0.1毫秒、0.1毫米的误差都会导致失败，所以需要先进的控制系统。而且这三者都要保持长时间连续运行。

所以，实际上，实现全超导托卡马克核聚变比登天还难。我们需要产生一个上亿摄氏度高温的“甜甜圈”，还要把它放在一个-269℃的低温容器中，再把它磁悬浮起来，这就是超导托卡马克，也就是所谓的“人造太阳”。

这的确挑战了人类科学和技术的极限。2000年10月，EAST项目正式开工。2006年9月26日，EAST成功获得等离子体，达到了500万℃，持续时间大约不到一秒。但这还远远不够。去年，EAST创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿℃、100秒等离子体运行，随后又实现了1056秒、7000万℃。这个温度比太阳中心还高6倍，可见光已经几乎没有。在长时间维持方面，中国已走到世界前列，多次创造高约束等离子体稳态运行世界纪录。

三、人类有望10年内实现核聚变

未来用核聚变来发电，1000秒还远远不够，必须是想运行多久就能运行多久，所以还有很多难题有待解决。

目前还有几个比较困难的问题。比如等离子体的加热。平时，加热食物最快的方法是用微波炉。一般家用微波炉只有500瓦，而EAST有全世界最大的“微波炉”，微波驱动总功率高达30兆瓦，这几乎是人类现有技术的极限。只有多个极限技术共同作用，才有可能实现聚变点火并维持下去。经过几代人奋斗，现在EAST所用的技术基本已实现百分百国产化。

另一个难点是长时间高温下材料很容易被打坏。聚变中所产生的部分微量中子，在1兆安电流下已经像是不安分的子弹。因此，EAST中所用的材料必须又抗辐照，又耐高温。我们用到了目前地球上几乎最先进的材料，这些材料承受的粒子轰击载荷高出飞机发动机100倍。

为推动托卡马克发展，国际上从1985年开始倡议国际热核聚变实验堆计划ITER，2001年完成工程设计。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判。2006年5月，中国正式加入ITER。

加入ITER，可以以10%的贡献获取100%知识产权，实现弯道超越，还可带动国内聚变产业的发展。通过深度参与ITER，国内一大批企业迅速发展，初步建立起了未来中国聚变工业的基础。例如，产生超导磁体所需的超导线，参加ITER前我们仅能进行36公斤的小批量生产，现在我们可以年产150吨，广泛应用于核磁共振。

如今，核聚变在国际上已经成为一个竞争白热化的领域。人类对能源的需求从没有像现在这么紧迫。站在现在回望过去，前60年还是以基础研究为主，现在应该到了一个转折点，即从基础研究到工程研究到商业化，这个进程要加快。我国在磁约束核聚变的科技发展上走到了世界前列，要尽快建设实验堆(BEST)、工程示范堆(CFEDR)、商用堆。

文章来源： ​文汇报，上观新闻，新华社