中國(guó)“人造太陽(yáng)”離“點(diǎn)火”還差多遠(yuǎn)？

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導(dǎo)語(yǔ)：被稱為“新一代人造太陽(yáng)”的“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”（HL-2M）托卡馬克裝置，于8月25日首次實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行。再次刷新我國(guó)磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄，100萬(wàn)安培電流是個(gè)什么概念？有怎樣的關(guān)鍵意義？

新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”

一、核裂變和核聚變有什么區(qū)別？

比如一個(gè)電燒水壺是2200W，它的電流為2200/220=10A，那么，1000萬(wàn)安培相當(dāng)于100萬(wàn)只同時(shí)燒水時(shí)的電流大小。達(dá)到100萬(wàn)安培這個(gè)數(shù)值，標(biāo)志著我國(guó)“人造太陽(yáng)”向著核聚變點(diǎn)火又邁出了重要一步。

核聚變，是一種核反應(yīng)的形式，即輕原子核(例如氘和氚)結(jié)合成較重原子核(例如氦)時(shí)放出巨大能量的過(guò)程。在不加約束的情況下，核聚變往往是劇烈而不可控的。長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)現(xiàn)可控核聚變，為人類的發(fā)展提供源源不斷的能源是人們的愿景。

相較于核裂變，普通人對(duì)核聚變的了解程度可能更低，甚至還經(jīng)常理不清這兩者的關(guān)系。

如果說(shuō)通過(guò)分裂重原子核來(lái)產(chǎn)生能源的核裂變，是將原本完整的鏡子打碎，那么核聚變可以說(shuō)恰恰相反，其產(chǎn)生能源的方式是將打碎的鏡子復(fù)原，通過(guò)“破鏡重圓”來(lái)釋放能量。

核裂變與核聚變的區(qū)別示意圖

我們都知道，愛(ài)因斯坦有個(gè)著名的質(zhì)能方程E=mc2。當(dāng)一個(gè)重原子分裂為兩個(gè)輕原子時(shí)（核裂變），或兩個(gè)輕原子融合為一個(gè)重原子時(shí)（核聚變），反應(yīng)的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)的質(zhì)量虧損，而這損失的一點(diǎn)點(diǎn)物質(zhì)會(huì)變成巨大的能量釋放出來(lái)，這能量究竟有多大呢？——光速的平方倍。

太陽(yáng)內(nèi)部便每時(shí)每刻都在發(fā)生著類似的核聚變反應(yīng)，從而源源不斷地發(fā)出光和熱。

二、擋在核聚變點(diǎn)火前面的“三座大山”

核聚變點(diǎn)火作為實(shí)現(xiàn)可控核聚變的關(guān)鍵步驟，是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的前提和基礎(chǔ)。如今，實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火這一目標(biāo)，正在逐漸走向現(xiàn)實(shí)。

英國(guó)物理學(xué)家勞森在上世紀(jì)50年代提出了著名的“勞森判據(jù)”，即當(dāng)核聚變反應(yīng)的能量產(chǎn)出率大于能量損耗率，并且有足夠能量使核聚變反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)時(shí)，通常意味著核聚變點(diǎn)火成功。

溫度、密度、約束時(shí)間這三個(gè)參數(shù)的乘積，即所謂聚變?nèi)朔e大小的判斷，燃料的離子溫度、等離子體密度和能量約束時(shí)間是核聚變裝置點(diǎn)火的關(guān)鍵性參數(shù)，三個(gè)參數(shù)成為點(diǎn)火的關(guān)鍵。翻越三座大山，提高三乘積才能讓可控核聚變走向現(xiàn)實(shí)。

而在磁約束核聚變裝置中，上述三個(gè)參數(shù)中的等離子體密度和能量約束時(shí)間恰恰與等離子體電流成正比。“等離子體電流越高，等離子體密度和能量約束時(shí)間這兩個(gè)參數(shù)就越高，就可以更加接近點(diǎn)火要求的聚變?nèi)朔e。”

極輕的核（或粒子）在反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量并不守恒，有一部分參與聚變的原子核物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為了能量。其轉(zhuǎn)化比例遠(yuǎn)超重核變化為輕核的核裂變反應(yīng)，根據(jù)質(zhì)能方程，這一能量十分巨大。

兩個(gè)輕核形成一個(gè)重核與一個(gè)粒子

兩個(gè)輕核在正常狀態(tài)下一旦靠近會(huì)因?yàn)殡姾啥ハ嗯懦狻２贿^(guò)，一旦溫度夠高形成原子核與電子分開(kāi)的等離子體，且體系的約束力夠強(qiáng)，就能使核力（作用于原子質(zhì)子和中子之間的力，但僅作用于極小范圍內(nèi)）發(fā)揮作用，打破電荷斥力的影響產(chǎn)生重核，并釋放大量能量。

若核子密度夠高、運(yùn)動(dòng)夠快、反應(yīng)持續(xù)時(shí)間夠長(zhǎng)，則輕核互相接近的幾率越大，達(dá)到某一臨界點(diǎn)后即可產(chǎn)生可持續(xù)的核聚變反應(yīng)。因此產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的重要條件是創(chuàng)造環(huán)境，對(duì)反應(yīng)的等離子體產(chǎn)生足夠的溫度、密度和維持時(shí)間。

太陽(yáng)內(nèi)部的溫度僅有約1500萬(wàn)攝氏度，但其超高的壓強(qiáng)和約束時(shí)間使得聚變反應(yīng)容易產(chǎn)生。根據(jù)英國(guó)物理學(xué)家勞森在1957年的推導(dǎo)，在托卡馬克裝置內(nèi)，要想使得核聚變反應(yīng)“有利可圖”（即輸出能量超過(guò)輸入能量），氘氚反應(yīng)必須在約1.5億攝氏度的等離子體溫度前提下，讓等離子體的密度與約束時(shí)間的乘積至少達(dá)到10的22次方級(jí)別。

三、托卡馬克穩(wěn)定運(yùn)行，等離子體電流必須超過(guò)1兆安

托卡馬克裝置最初由蘇聯(lián)于1950年代提出并制造，名字是俄語(yǔ)中環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）的結(jié)合。

托卡馬克裝置示意圖

托卡馬克裝置的結(jié)構(gòu)都大同小異。主要容器是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞多組線圈。真空室內(nèi)充入一定量反應(yīng)氣體，在預(yù)電離等手段的作用下產(chǎn)生少量離子，然后通過(guò)感應(yīng)或者微波注入等方式，激發(fā)并維持一個(gè)強(qiáng)大的環(huán)形等離子體電流。這個(gè)等離子體電流與外面的線圈電流一起形成一個(gè)螺旋形磁場(chǎng)，反應(yīng)過(guò)程中外層的等離子體被卷在螺旋形磁力線上不溢出，就能夠?qū)⒏邷氐入x子體封閉，使其與外界盡可能地絕熱。在確保等離子體被約束的前提下，等離子體不斷通過(guò)中性束、電子/離子共振等手段加熱到上億度的高溫，以達(dá)到核聚變反應(yīng)的條件。

采用磁約束的根本原因是地球上沒(méi)有任何材料可以直接承受反應(yīng)中心上億度的高溫，反應(yīng)過(guò)程中高溫等離子體會(huì)飛散開(kāi)來(lái)，太陽(yáng)內(nèi)部利用巨大的重力進(jìn)行約束。為了避免超過(guò)1億攝氏度的等離子體飛濺損壞材料，必須使用超高電流產(chǎn)生的“磁籠”將等離子體束縛住：電流越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)，能夠更好地束縛和壓縮等離子體，有利于形成更大的等離子體密度。此外，電流裝置可能采用超導(dǎo)方案，以避免超高電流的附帶問(wèn)題。

四、中國(guó)“人造太陽(yáng)”離“點(diǎn)火”還差多遠(yuǎn)？

數(shù)十年中，國(guó)內(nèi)外的托卡馬克裝置一直在努力突破提高三乘積這三座大山，在等離子體溫度約為1.6億攝氏度的前提下，相對(duì)最容易實(shí)現(xiàn)工程化。最先進(jìn)的聚變?cè)囼?yàn)堆已經(jīng)達(dá)到了這個(gè)溫度，但在等離子體密度和維持時(shí)間上距離“點(diǎn)火條件”還存在著一定的差距。

等離子體在環(huán)形磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)行

作為我國(guó)最新一代托卡馬克裝置“環(huán)流3號(hào)”由之前的HL-2M更名而來(lái)，屬于中型核聚變研究裝置，是HL-2A經(jīng)過(guò)改造升級(jí)后的產(chǎn)物，于2020年建成并投入試驗(yàn)。改造后的HL-2M擁有了更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)與控制方式，具備更強(qiáng)的加熱功率，等離子體溫度最高能超過(guò)2億攝氏度。它的真空室主半徑為1.78米，設(shè)計(jì)最高能承載250萬(wàn)安培的電流，能夠由非超導(dǎo)銅線圈產(chǎn)生最大2.2特斯拉的磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)等離子體形成更強(qiáng)、更穩(wěn)定的內(nèi)部約束磁場(chǎng)。

根據(jù)專家的介紹，聚變堆的聚變功率與等離子體電流的平方成正比，意味著反應(yīng)功率仍將有幾倍的提升空間。這將顯著影響上述三個(gè)參數(shù)中的密度和約束時(shí)間，進(jìn)一步增加核聚變反應(yīng)的速率，嘗試接近勞森判據(jù)的臨界點(diǎn)。

高性能計(jì)算機(jī)和相關(guān)算法的引入對(duì)于提升約束時(shí)間起到了最關(guān)鍵的作用，我國(guó)擁有比較豐富的等離子體的數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，使得磁約束時(shí)間在國(guó)際上處于較為領(lǐng)先的地位。

我國(guó)的另一個(gè)“人造太陽(yáng)”項(xiàng)目被稱為東方超環(huán)的EAST，是全球首個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克，的中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導(dǎo)磁體，外側(cè)則由超導(dǎo)材料制成的線圈圍成。

以我國(guó)目前最尖端的“環(huán)流3號(hào)”和EAST實(shí)驗(yàn)堆為例，在大約1.5億攝氏度的條件下，能夠以大約10的19次方級(jí)別密度持續(xù)約100秒可重復(fù)的等離子體運(yùn)行。在“環(huán)流3號(hào)”有潛力進(jìn)一步大幅提升約束電流的前提下，若能同時(shí)再將磁約束時(shí)間提升到1000秒以上，就將十分接近勞森判據(jù)。

結(jié)語(yǔ)：國(guó)際上可控核聚變被稱為“普羅米修斯盜火”，是國(guó)家綜合技術(shù)實(shí)力的一種體現(xiàn)。能夠帶領(lǐng)人類再一次走向光明。可控核聚變和人工智能代表未來(lái)的先進(jìn)生產(chǎn)力，它們的發(fā)展將成為下一代工業(yè)革命的鑰匙，人類將擁有無(wú)限能源并擺脫重復(fù)勞動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

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2.中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所. 什么是托卡馬克？

3.中國(guó)科協(xié). 新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”再創(chuàng)紀(jì)錄. 2023-9-17

4.科技日?qǐng)?bào). 提高三乘積，讓可控核聚變走向現(xiàn)實(shí)

5.澎湃新聞. 為何核聚變總在“五十年后”？美國(guó)聚變點(diǎn)火有何弦外之音？