我国“人造太阳”再破世界纪录，可控核聚变就要实现了吗

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

4 月 12 日 21 时，正在运行中的的全球首个全超导托卡马克装置 EAST（先进实验超导托卡马克实验装置），在稳态长脉冲高约束模式下，实现等离子体稳定运行 403 秒，创造了托卡马克装置稳态高约束模式运行新的世界纪录。此前 101 秒的世界纪录，也是由 EAST 于 2017 年创造的。EAST 是中国新一代可控核聚变研究装置，由中科院合肥物质科学研究院自主研制，于 2006 年 9 月 28 日取得首轮物理放电实验的成功。

文 | 斯图尔特・克拉克（Stuart Clark）

编辑 | 赵佳明

也许有的朋友会问，这个 403 秒意味着什么？这个 403 秒意味着，人类距离利用可控核聚变产生能量又近了一步，可能可控核聚变发电很快就会成为现实。

我们为什么需要核聚变？

要回答这个问题，首先要了解什么是核聚变。核聚变就是两个质量较轻的原子合二为一，同时释放大量能量的过程。太阳和其他恒星就是通过核聚变来发光放热的。如果我们能在地球上"复制"这一过程，将产出大量能量。这是我们需要核聚变的第一个原因。

气候变化和能源安全也促使人们转变了观念，开始接受核聚变。对于气候变化来说，核聚变能提供丰富的清洁能源。同火力发电等发电模式相比，几乎没有温室气体的排放。核聚变还可以和太阳能、风能等其他可再生能源联合使用。至于在能源安全方面，随着全球能源需求的急剧增长，一旦化石能源枯竭，就必须依靠核聚变能源了。

其实，我们利用核能不是最近的事，现在世界各地运行的核电站正是通过核裂变来发电的。不过，相较于核聚变，核裂变存在安全问题、核废料处理问题，以及核原料的取材问题。因此，科学家都把关注点转移到了核聚变上来。

为什么可控核聚变难以实现？

现在我们已经知道，核聚变发生的条件是像太阳内部那样的极端高温、高压、高密度。可是，人造的核聚变反应堆无法复制这样的压力和密度条件。比如，在 JET（欧洲联合环状反应堆）的内部，气体的密度和反应堆外的普通大气差不多。那么，要想实现核聚变反应，反应堆内的温度就得超过 1 亿℃。在这样的温度条件下，气体会变成等离子体。这时，可以用磁场来约束它们。

因为任何一种材料一旦触碰到温度超过 1 亿℃的等离子体，都会熔毁，所以只能通过磁场来约束等离子体。同时，磁场还能使等离子体加速流动，为核聚变创造条件。可见，在核聚变反应堆中，磁场很重要。这次 EAST 创造的新世界纪录就是关于磁场约束等离子体，从而稳定运行的。这是利用可控核聚变产生能源的关键。

此外，现阶段的核聚变发电还存在"投入产出比"不协调的问题：反应堆虽然能产出大量能量，但满足自身运转需要投入更多能量。为了解决这个问题，多国联合出资，正在法国南部建造国际热核聚变反应堆（ITER），预计在 2025 年投入运行。在刚开始运行的 10 年间，科学家会逐步提升反应堆的运行功率，最终让它满负荷运行。科学家估计，ITER 最终输出的能量，将是启动核聚变所需能量的 10 倍以上。

新的尝试

近年，科学家和私营企业为了尽早实现可控核聚变，采取了一些新的尝试。

• 在托卡马克装置中，磁场强度越强，对等离子体的约束就越强，这样反应堆就可以设计得更小。英国托卡马克能源公司和其他几家实验室合作，研发出了一种叫作高温超导磁体的设备，这些磁体能产生强力磁场，强度可达地球磁场强度的 100 万倍。通过这种磁体，托卡马克能源公司利用一座小型反应堆，让等离子体的温度升到了约 1 亿℃。

• 启动核聚变反应有几种不同的方法。除了在托卡马克装置中让等离子体加速旋转外，还有一种方法叫惯性聚变 -- 核燃料液滴会被挤压，这样温度和密度就会变大，达到核聚变的条件。美国的 First Light Fusion 公司，通过射击实现了挤压 -- 子弹会从一支超高速枪中射出，击中含有核燃料的目标。子弹击中目标后，能让核燃料以每秒 70 千米的速度发生内爆，引发核聚变，释放能量。

• 一旦核聚变反应堆投入运行，人类就不能进入反应堆了。因为氘-氚核聚变反应会释放大量中子和能量，产生强烈的短时辐射，对人体有害。所以，需要机器人代替人类完成某些工作。为此，科学家和工程师研发了机械臂，代替人类的工作。比如，RACE 机构研发的巨大机械臂 MASCOT。

• 如果把人工智能技术融入机器人，机器人会更敏捷、更自动化。拥有了更先进的人工智能技术，核聚变反应堆的控制系统或许就可以根据等离子体状态的快速变化随时做出调整，这样就能让核聚变反应尽可能维持在最高效率。