5月28日，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置取得新突破，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，创造了托卡马克实验装置运行新的世界纪录。
地球万物生长所依赖的光和热，源于太阳核聚变反应后释放的能量。几十亿年来，太阳通过核聚变，不断地向外辐射着能量。而支撑这种聚变反应的燃料氘，在地球上的储量极其丰富，足够人类利用上百亿年。如何模仿这一原理，建造一个源源不断提供清洁能源的“人造太阳”，让人类能够彻底实现能源自由呢？如今随着 “人造太阳”技术不断取得进展，人类的聚变梦正在一点点变成现实。
“核聚变能”掀起能源革命
说起核聚变，了解的人可能不多。但实际上，我们天天见证着核聚变，太阳就是一个巨大的核聚变反应装置。在太阳的中心，温度高达1500万摄氏度，气压达3000多亿个标准大气压，在这样的高温、高压条件下，氢原子核聚变成氦原子核，并放出大量能量。几十亿年来，太阳通过核聚变，不断地向外辐射着能量，照耀着大地。
核能是人类历史上的一项伟大发现，主要通过裂变、聚变、衰变三种方式释放能量。其中，原子弹、核电站均采用的是核裂变技术，核电的广泛利用已深刻影响到当今世界能源版图。“核聚变能就是模仿太阳的原理，使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核，并释放巨大能量。”中国工程院院士万元熙介绍。1952年，世界第一颗氢弹爆炸之后，人类制造核聚变反应成为现实，虽然那只是不可控的瞬间爆炸，但点燃了人类安全利用这一巨大能量的梦想。从那时开始，全世界的科学家们就一直在寻找途径，力求实现可以控制的核聚变能。全超导“托卡马克”实验装置，就是人类为实现这一梦想而建造的试验平台。
核聚变能为何有如此巨大的魅力？“这是由于其具有无可比拟的优点。”中科院等离子体物理研究所研究员徐国盛说。当前，全球依赖的主要能源是煤、石油、天然气等化石能源，这些传统能源不仅会造成污染，而且终有被耗尽的一天。核聚变的燃料氘在海水中大量存在，每升海水中含30毫克氘，完全聚变所释放的能量，相当于燃烧340升汽油；地球上仅海水中就含有45万亿吨氘，足够人类使用上百亿年，比太阳的寿命还要长。聚变需要的另一种燃料是锂，地球上锂的储量约有2000多亿吨，也可谓取之不尽、用之不竭。
1986年，前苏联切尔诺贝利核电站核泄漏事故，曾造成数万人死亡，至今仍让人心有余悸。“与核裂变不同的是，核聚变的燃料和产物不具放射性，而且很容易通过取消核反应条件终止反应，因此不存在失控、核泄漏及核废料等安全问题。”徐国盛表示。此外，核聚变能还是一种清洁能源，并不会像燃烧化石燃料那样释放二氧化碳等污染物。
一亿度高温如何承载
制造“人造太阳”面临一个突出的现实问题：用什么容器来承载核聚变？要在地球上利用核聚变能量，在人工控制条件下等离子体的离子温度需达到1亿摄氏度以上。而目前地球上最耐高温的金属材料钨的熔化温度是3000多摄氏度。这意味着，找不到盛装如此高温等离子体的容器。
徐国盛介绍，实现受控热核聚变反应至少要满足两个苛刻条件。第一，极高的温度。氘核与氚核间发生聚变反应时，温度须达到1亿摄氏度以上。这种在极高温度下才能发生的聚变核反应也称热核反应。在如此高温下，物质已全部电离，形成高温等离子体。也只有在这样的高温下，聚变物质氘和氚才能高效发生核聚变，释放出巨大的能量，同时消耗的能量相对较少。也就是说，可以用较少的能量消耗获取最大的聚变能供人类使用。第二，充分的约束。即将高温等离子体维持相对足够长的时间，以便充分地发生聚变反应，释放出足够多的能量。当等离子体温度上升到几千万甚至上亿摄氏度时，任何固体材料都将熔毁。因此，需要用特殊形态的磁场把由氘、氚等原子核及自由电子组成的一定密度的高温等离子体约束在有限体积内，使之脱离器壁并限制其热导，这是实现受控热核聚变的重要条件。
“打个比方，我们就是用一个‘磁笼子’来装上亿摄氏度高温的等离子体，这个磁约束难度很大，不过我们已经成功地做到了。”徐国盛说，“2008年3月超导托卡马克物理实验连续重复实现了长达400秒的高温等离子体放电，电子温度超过1000万摄氏度，2016年等离子体中心温度达到5000万摄氏度，2017年达到8000万摄氏度，2018年我们达到了1亿摄氏度，并持续了20秒！现在我们又成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行！”
我们离实现核聚变目标还有多远
1.2亿摄氏度高温实现了，百秒量级的高温等离子体放电也实现了，意味着我们初步攻破了挡在热核聚变路上的一些难关，但离人类最终实现聚变能的商用，还有很长的路要走。未来聚变堆中核聚变的优化温度在1亿到2亿摄氏度左右，在这个温度环境下，聚变物质可以高效发生核聚变，从而产生源源不断的聚变能。
虽然高温等离子体被强大的磁场像“磁笼子”一样约束在环形真空装置中，短时间不会对核聚变实验装置的外壁造成损害，但时间一长，这种损害就不可避免。因为等离子体中不断有大量能量输运出来，沉积到器壁的内表面。“如何让器壁的内表面长时间耐受这种高能量的轰击，让核聚变装置实现等离子体高温高约束下的长久运行是我们面临的最艰巨挑战，也是我们接下来要研究的重要课题。”徐国盛说，“其实我们已经在这方面有了成功的探索，比如2017年，我们在物理实验中实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，当时的等离子体温度是5000万摄氏度，我们的器壁耐受住了考验，现在我们实现了1.2亿摄氏度的高温，并且持续了101秒，器壁也耐受住了考验！然而这只是短时间的考验，未来我们要达到更长时间的高温等离子体运行，就不仅要在工程上，而且要在物理机制上找到更好的解决方案，从而实现聚变装置在高温高约束下的长久运行。”
目前，由欧盟、美、日、俄、中、韩、印七方共同承担的国际热核聚变实验堆（ITER）计划，是全球规模最大、影响最深远的国际科技合作项目之一。徐国盛表示，EAST（全超导托卡马克核聚变实验装置）虽然规模比ITER小，但EAST使用了与ITER类似的先进技术。更为重要的是，EAST至少比ITER早投入实验运行10年至15年，将为ITER计划积累宝贵经验。
为了加快核聚变能的早日商用，2018年初，我国启动了中国聚变工程实验堆(CFETR)建设的工程设计，并在合肥三十岗建设聚变堆主机关键系统综合性研究设施。作为聚变堆的研发平台，该设施将主要研发聚变堆关键部件的原型件及其测试平台。“从EAST实验装置到中国聚变工程实验堆，我们所做的每一件事都是人类之前没有做过的。我相信，假以时日，科研人员一定能逐步解决未来聚变堆核心科学和技术问题，让取之不尽、用之不竭的清洁聚变能造福人类。”徐国盛说。（记者 汪永安）
