掌控未來能源：可控核聚變穩態燃燒的探索

院士的話

核聚變能以其資源無限、環境友好和固有安全性等優勢將成為人類未來的理想能源，是目前認識到的最終解決人類社會能源與環境問題的有效途徑之一。開發利用核聚變能將對我國經濟社會發展、國防工業建設具有重要戰略意義。

葉奇蓁

中國工程院院士

01

可控核聚變的穩態燃燒研究的意義

核聚變能以其資源無限、環境友好和固有安全性等優勢將成為人類未來的理想能源，是目前認識到的最終解決人類社會能源與環境問題的有效途徑之一。開發利用核聚變能將對我國經濟社會發展、國防工業建設具有重要戰略意義。

02

不竭能源的人類夢想——核聚變能

1952年世界上第一顆氫彈成功試爆，人類認識到了氘-氚核聚變反應的巨大能量。但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應，不能作為提供能源的手段。自此以后，人類便致力于在地球上實現人工控制下的核聚變反應，即可控核聚變研究，希望利用

太陽發光發熱的原理，為人類提供源源不斷的能源。因此人們也將可控核聚變研究的實驗裝置稱為“人造太陽”。

然而，“人造太陽”維持自身燃燒的條件非常苛刻。英國科學家勞遜在20世紀50年代詳細研究了這一條件的門檻——也被稱為聚變點火條件。根據勞遜等人的計算，實現氘氚可控核聚變的等離子體離子溫度要大于1億度，等離子體密度和等離子體能量約束時間的乘積大于2×1020m-3·s。

03

未來能源之路——“人造太陽”

能源是人類社會發展的基礎和動力。一部能源史是人類與自然的斗爭史，也是人類社會生產力的發展史。我們的祖先從“鉆木取火”開啟能源利用，木材成為人類最早利用的能源。工業革命將人類帶入“化石能源時代”，高熱值、分布廣的煤炭成為全球第一大能源。蒸汽機為工業發展提供了巨大的動力。能源利用推動了人類社會發展，同時，人類對能源的需求進一步提升。能源危機給社會經濟和環境帶來了巨大威脅。一方面化石能源面臨枯竭，另一方面，人類向大氣中排入的二氧化碳等溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應也隨之增強，已引起全球變暖等一系列嚴重問題。

長期以來，人們對于未來的清潔能源做了大量的探索，其中包括可再生能源，比如太陽能、風能。但是太陽能、風能等都要受時間、氣候、地域等因素的限制，相對于現代社會對電力的巨大需求來說，只能解決局部問題。目前，解決人類能源與環境問題的最大希望是核能，也稱為原子能。

原子能分為核裂變和核聚變兩種方式。核裂變是較重的原子核分裂為較輕的原子核并釋放出能量的過程。人類見識到以核裂變為原理的原子彈的威力后不久，在20世紀50年代初蘇聯就建成了世界上首座核（裂變）電站，成功實現了原子能和平利用。

而核聚變則是將較輕的原子核聚合反應而生成較重的原子核，并釋放出巨大能量。氘氚聚變是當前地球上最容易實現的核聚變反應，其作為能源優勢非常明顯。首先是燃料在地球上的儲量極為豐富。氘大量存在于在水中，每公升水可提取出約0.035克氘，通過聚變反應可釋放相當于燃燒300公升汽油的能量；氚由于半衰期較短，在自然界中儲量有限，但其可通過中子轟擊鋰來制備，而在地殼，鹽湖和海水中，鋰都是大量存在的。二是不產生高放射性核廢料，不污染環境；三是具有固有安全性等優點。所以核聚變能源是目前人類認識到的，可以最終解決人類能源問題和環境問題，推動人類社會可持續發展的重要途徑之一。

04

最熱“人造太陽”——托卡馬克

地球上“人造太陽”的途徑主要為慣性約束和磁約束。慣性約束核聚變研究始于20世紀70年代，主要是通過激光或離子束驅動靶丸形成等離子體，利用等離子體粒子自身慣性，通過內爆被壓縮到高溫、高密度狀態發生核聚變反應。其中進展較大的是激光聚變路線，以我國“神光”計劃和美國國家點火裝置NIF為代表。磁約束核聚變研究始于20世紀50年代，其通過磁場來約束處于極高溫下的聚變燃料，將足夠多的燃料在極端高溫條件下約束足夠長時間，由此實現核聚變反應，產生聚變能。半個世紀以來，國際上探索了箍縮、磁鏡、仿星器、球馬克、托卡馬克等眾多磁約束核聚變路線，當前以托卡馬克（圖2）路線技術最為成熟。

國際上自托卡馬克開展實驗以來，等離子體綜合參數不斷提升，裝置的離子溫度、密度與能量約束時間三者的乘積（“三乘積”）提升了幾個數量級，逐漸趨近點火條件。先后在歐洲聯合環JET與美國托卡馬克聚變測試堆TFTR獲得氘氚聚變功率輸出，揭示了托卡馬克磁約束可控核聚變路線的原理可行性。2021年，JET創造了59MJ聚變能輸出的新世界紀錄。

05

“人造太陽”在東方冉冉升起

我國可控核聚變研究早在20世紀50年代就開始了，幾乎與國際上可控核聚變研究同時起步。1955年，正值我國制定“十二年科學技術長期規劃”之際，錢三強以及剛從美國回來的李正武等科學家倡議在我國開展“可控熱核反應”的研究，目的是為了探索核聚變能的和平利用。1958年開始，我國磁約束可控核聚變實驗研究在原二機部401所及中國科學院物理研究所等研究單位展開，并于1965年在四川樂山建成了我國致力于聚變能開發的專業研究機構———西南物理研究所。自此以后，我國先后發展了多種類型的磁約束聚變研究裝置，如脈沖磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導磁鏡、反場箍縮裝置和托卡馬克，于1984年在四川樂山建成了我國核聚變領域第一座大科學裝置———中國環流器一號托卡馬克裝置，它是我國核聚變研究史上的一個重要里程碑，其成功建造與運行，為我國自主設計、建造、運行核聚變實驗研究裝置積累了豐富經驗，培養了相關技術及實驗運行的人才隊伍。現役國家大科學裝置“人造太陽”中國環流二號（HL-2A）在國內首個實現偏濾器位形放電、高約束模，東方超環（EAST）首次實現千秒量級長脈沖運行和403秒高約束模等一系列里程碑。這些裝置為我國核聚變研究從原理探索到大規模裝置實驗的跨越式發展奠定了堅實的科學與工程技術基礎。

結語

通過參與ITER計劃，相關科研實力得到極大提升，相關領域研發和技術水平也取得長足進步，通過國際大科學工程的帶動，中國核聚變研究已由跟跑轉向并跑，部分技術達到國際領先水平。新一代“人造太陽”中國環流三號（HL-3），是目前國內規模最大、參數能力最高的托卡馬克，是目前國內唯一具備堆芯級高參數運行能力的核聚變研究裝置，是我國深度參與ITER實驗，消化吸收ITER運行成果的大科學支撐平臺。2023年，HL-3突破等離子體電流百萬安培高約束模式放電，創造了我國可控核聚變裝置運行新紀錄，實現了我國核聚變裝置運行向大電流高參數運行的歷史性跨越，標志著我國核聚變裝置高參數運行技術水平已躋身國際前列，向點燃“人造太陽”又邁進重要一步。在未來幾年，HL-3計劃開展氘氚實驗，將為聚變堆穩態燃燒科學和技術問題提供中國方案。

我們堅信，通過大家共同努力，“人造太陽”一定能閃耀在世界的東方，點亮我們的能源夢想。

圖文內容來源于：

《面向未來的科技——2023重大科學問題、工程技術難題和產業技術問題解讀》

微信號｜大美科學

07-08熱文

07-05熱文