近年来，关于可控核聚变的研究消息可谓是捷报频传，国内的“东方超环”和“环流三号”托克马克大科学装置，在高约束模等离子体模式下达成了长脉冲、大电流、先进磁场结构等一系列新的突破；虽然国际热核聚变堆（ITER）的运行计划从2020年可能推迟到了2039年，但中国聚变工程实验堆(CFETR)已明确2035年左右建成、2050年达成聚变电网的目的；伴随民间资本的投入，愈加多的国内外商业公司也加入了核聚变的赛道，可控核聚变的年代好像正在加速到来。为何可控核聚变这样遭到关注？达成可控核聚变的策略有什么？将来大家对可控核聚变还或有什么值得期待的地方？

大伙好！我是中国科学院物理研究所的研究员——罗会仟。这次，大家来聊聊人工可控核聚变近况与将来。

通常来讲，核能的借助主要有三类：核衰变、核分裂转变和核聚变。核衰变能源可以放出核辐射，但单位时间释放的能量有限，仅在一些低能耗、长周期的环境下用，比如核能电池；核分裂转变就是借助中子等“炮弹”轰击铀、钚、钍等重原子核，原子核裂成更小水平的核，在释放能量的同时释放更多的中子去轰击其他原子核，从而发生链式反应并持续不断输出能量。核分裂转变是现在达成原子能发电的主要方法，但随着着核污染风险和核废料处置难点，要大规模用起来还十分让人担心；核聚变就是一些轻元素核，如氢及其同位素氘和氚，在高温高压等离子体情形下合并成新的原子核，同时释放很多的能量。可控核聚变的优势在于它产生的中子是短寿命的，一旦等离子体的温度或密度减少到阈值以下，核聚变会即刻停止，辐射也非常快消失，所以是当之无愧的清洗能源。

“人造太阳”可控核聚变示意图

大家在地球上借助的能源，追根溯源的话，几乎都源于太阳——那是一个巨大的核聚变“火球”。太阳辐射主要以光的形式传播到地球表面，造就了气候、环境和生命的演化。科学们早就设想将核聚变达成人工可控，从而达成“人造太阳”造福人类将来。但，要达成能量稳定输出的可控人造太阳，远远比造一颗不可控的氢弹要难得多，由于太阳的核心温度是上千万摄氏度，重压更是达到了恐怖的3000亿个大方压，要想在地球上达成这种条件，比登天还难。更何况，要“点着”一个人造太阳，至少需要上亿摄氏度的温度，根本没办法直接接触任何容器。不过，科学家们有方法！

现在达成可控核聚变的主要策略之一是磁约束核聚变，其中最接近成熟的技术是托克马克策略：借用极向磁场和环向磁场双重配合，将一束高温等离子体约束在真空环境中，只须氘-氚等离子体密度和温度达到阈值，就能达成核聚变。因为等离子体处于强约束状况下和容器壁几乎不接触，所以即使上亿度高温也不怕。原则上，托克马克的聚变功率正比于体积的一次方和磁场强度的四次方，要达成可控核聚变的可能需要15 T约束磁场、100 kA等离子体电流和10 米左右的直径。在有限体积下达成核聚变，要么是尽量提升磁场强度，要么大幅度提升电流密度，同时还要约束保持等离子体密度，然后保持状况足够长期，并且让温度足够高，才可达成氘一氚自持核聚变反应，最后达到“点火条件”：聚变堆内阿尔法粒子的自加热功率大于等于韧致辐射功率损失和热传导功率损失之和。

正在建设中的“国际热核聚变堆”ITER

现在正在建设的ITER装置就是典型的托克马克，磁场达到了11.8 T，单个磁体就足足有三层楼高，整个装置体积庞大、造价昂贵、建造工艺复杂。为了减少本钱，科学家们提出了新的“紧凑型”托克马克策略：用高温超导磁体替代传统低温超导磁体，很大地提高磁场强度，同时去掉内核插件，仅用3.5米左右的球形腔达成聚变反应。这种球形托克马克装置的等离子体体积占比更高，堆功率更高，降温和散热更为便捷，但狭小的空间意味着设计困难程度更大。现在国内的多家商业公司如星环聚能、能量奇点、新奥集团等都是走的这条路线，英国的STEP计划也提出要在2040年达成100 MW发电的目的。

核聚变策略-仿星器

除去托克马克以外，可控核聚变的策略还有不少。比如早在上世纪50年代，科学家就提出了“仿星器”的策略——借用三维扭曲的磁体架构出一个环形磁场的“磁瓶”来约束等离子体。仿星器具备天然稳态运行、高密度等优点，而且无需依靠强大的内部等离子体电流来保持稳定。虽然仿星器因技术缘由起步较晚，伴随高温超导磁体技术的进步，也或许会带来新的机会。

核聚变策略-磁化靶堆

还有其他的磁约束策略，譬如“磁靶聚变”装置（MTF），在一个球形腔体内充满熔融的液态铅锂，借用200个活塞传递重压到反应球中心来压缩等离子体。无需像托克马克那样依靠于反应过程中子逃逸轰击锂内衬产生氚核素，这种多活塞式聚变装置可以在自己反应区就产生氚，使聚变持续进行。他们计划2030年左右达成聚变电网。还有更激进的策略，就是尝试硼-11（B-11）和氢（H-1）的核聚变，彻底摆脱对氚这种特殊燃料的依靠，但可能需要10亿度以上的高温。

美国国家点火装置（NIF）

不同于磁约束核聚变，惯性约束核聚变是另一种可行策略，即借助超强超短激光脉冲对一团氘-氚等离子体进行反复冲击压缩，促进它们在能量尚未耗散之前就产生聚变反应，从而达成“点火”。2022年，美国国家点火装置（NIF）宣称借助2.05MJ激光能量输入获得了3.15MJ聚变能输出，达成了“净能量增益”，不过他们并没计入产生激光所消耗的能量。国内的神光系列装置也具备类似的科学研究内容。

“东方超环”EAST内部结构

中国作为国际热核聚变实验堆（ITER）建设成员之一，除去参与重点磁体的研制和聚变建设，在国内自主建设的 “东方超环”(EAST)和“环流三号”（HL-3）等托克马克装置上也不断获得有关实验的进展。2023年4月12日，EAST成功达成了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录。2023年8月25日，HL-3初次达成100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，并于2024年6月初次达成了一种先进磁场结构。预计2025年，坐落于安徽合肥庐阳的“聚变堆主机重点系统综合研究设施”将建成，全力保障中国聚变工程实验堆(CFETR)的建设和前期实验任务。CFETR的规模要比ITER大一些，聚变功率将第一达到100-200 MW，并在2040年左右达到1 GW，在2050年前达成聚变发电。最后，原型聚变电站（PFPP）计划于2060年左右建成，将全方位开启中国磁约束聚变的商业化路线。

可以预期，将来20-30年左右，人工可控核聚变有望成为现实。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品：中国科协科普部

监制：中国科技出版社公司、北京中科星河文化传媒公司

Tags：原子能