“人造太阳”不是梦
■方鸿 孙新 郑彬
第二十六届中国北京国际科技产业博览会上，中国核工业集团的工作人员为一名小观众介绍新一代人造太阳“中国环流三号”。新华社发
据报道，今年6月，中核集团核工业西南物理研究院科研团队设计研发的新一代人造太阳“中国环流三号”，在国际上首次发现并实现了一种特殊的先进磁场结构，这对提升可控核聚变装置的控制运行能力具有重要意义。
“中国环流三号”是我国自主研制设计的可控核聚变大科学装置。由于可控核聚变能源产生能量的原理与太阳发光发热的原理一样，“中国环流三号”也被称为中国新一代“人造太阳”。
可控核聚变技术一直备受各国关注。那么，可控核聚变技术究竟是一项什么技术，对人类来说意味着什么？世界各国的可控核聚变技术发展情况如何？请看解读。
核聚变就像传说中的“宝藏”，等待着人们去挖掘
能源，在人类生产生活中的重要作用不言而喻。
然而，地球上的能源并不是取之不尽、用之不竭的。比如人们生活中常用的煤、石油、天然气等化石能源，不仅储量有限，还存在污染环境的问题。
寻找清洁又储量巨大的能源，是全世界需要共同面对的课题。
这时候，“可控核聚变”的出现给人们提供了新的方向。
在浩瀚宇宙中，太阳以其源源不断的光芒温暖着地球，秘密在于核聚变。人们设想，如果能在地球上像太阳那样实现核聚变，就可以获得近乎无限的清洁能源。在寻找清洁能源的过程中，核聚变就像传说中的“宝藏”，等待着人们去挖掘。
所谓核聚变，是指两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核，并释放出一个极轻的核（或粒子）的过程。简单来说，就是氢原子核（如氘、氚）通过“拥抱”变成了更重的原子核（如氦），同时释放出巨大的能量。
这种能量释放，正是太阳持续发出光和热的原因。
在此基础上，科学家们梦寐以求的可控核聚变一旦实现，则意味着我们可以像控制水龙头一样，让核聚变反应稳定、安全地发生，持续地提供能量。
因为可控核聚变产生能量的原理和太阳发光发热的原理一样，人们往往将实现可控核聚变的大科学装置称为“人造太阳”。
核聚变反应的燃料主要是氘和氚。
目前，科学家们已经发现，海洋中蕴藏着丰富的氘，而氚可以通过锂与中子的反应在反应堆中产生。
同时，与化石燃料不同，核聚变的过程不产生二氧化碳等温室气体，对全球变暖和气候变化的影响极小。更重要的是，与传统核电站使用的核裂变技术相比，核聚变产生的放射性废物要少得多，且这些废物的放射性寿命较短，处理和管理也相对容易。
不过，实现对核聚变的“可控”并不是一件容易的事。
太阳能够持续进行核聚变反应，主要是因为它拥有强大的引力场，且太阳核心的温度高达近1500万摄氏度。
然而，地球上不存在能够承受这种温度的固态材料，“人造太阳”无法复制这样的高温高压环境。
研究者们试图通过磁约束和惯性约束技术来破解这一难题。1968年，苏联科学家首次提出了利用“托卡马克”装置来实现核聚变的磁约束技术。磁约束技术通过磁场将氘、氚等元素原子核以及自由电子构成的高温等离子体限制在一个特定的空间里，使其在持续的约束下进行核聚变反应。
惯性约束技术，主要通过利用物质的惯性来控制核聚变过程，通过内向爆炸的方式对核聚变材料进行压缩，从而创造出足够的温度和压力引发核聚变。
在这一领域，以激光作为能量源的惯性约束方法尤为突出。
美国国家点火装置（NIF）曾利用192束高能激光束聚焦，产生高温高压环境，模拟太阳中心的热核聚变反应，成功实现了能量增益达到153%的核聚变实验。
可以这样说，如果未来“人造太阳”能像太阳那样产生核聚变，释放出巨大能量为人类所用，那么能源危机将不复存在。
各国纷纷贡献自己的“人造太阳”方案
世界上许多国家在“人造太阳”领域深耕多年，众多科学家为推动“人造太阳”早放光明孜孜以求。
美国在核聚变领域做出了不少探索。
1970年，美国启动多个核聚变项目，建立普林斯顿等离子体物理实验室。
2022年12月13日，美国能源部宣布，其国家实验室的一个团队在NIF进行了历史上第一次可控核聚变实验，实现了“核聚变点火”，该反应产生的能量超过了所消耗的能量，获得了“净能量增益”。
NIF的工作原理听起来有些科幻：它利用世界上最强的激光系统，192束激光汇聚一点，在亿万分之一秒的极短时间内，向一颗豌豆大小的氢燃料球发射。这些激光的威力足以在瞬间产生比太阳核心还要炽热的温度——超过1亿摄氏度。
在这样的极端条件下，氢的同位素氘和氚被挤压在一起，发生聚变反应，释放出比输入激光能量更多的能量。
这是人类历史上第一次实现核聚变反应的净能量增益。这一突破性成果不仅展示了惯性约束技术对核聚变的重要作用，也意味着，理论上只要能精准控制反应条件，就能持续地从少量燃料中获取大量能量，而且几乎不会产生长期放射性废物，是真正的绿色能源解决方案。
与此同时，其他国家也没停下探索的脚步。
1970年，欧洲建立了欧洲联合环（JET），这曾是全球领先的“托卡马克”装置之一，其目的是获得和研究接近聚变堆状态和尺寸的等离子体。1997年，JET创造了能量输出纪录。2000年至今，欧洲作为国际热核聚变实验堆项目的主导者之一，推动了全球核聚变研究的发展。
2022年2月9日，欧洲核聚变研发创新联盟、英国原子能管理局和国际热核聚变实验堆计划联合宣布，在JET中，科学家们实现了受控核聚变能量的新纪录：将氢的同位素氘和氚加热到了1.5亿摄氏度并稳定保持了5秒钟，同时核聚变反应发生，原子核融合在了一起，释放出59兆焦耳的能量。这一成就不仅打破了之前的纪录，还为未来核聚变机器的运行场景提供了宝贵的经验和信心。
韩国早在2000年就建成了自己的超导“托卡马克”先进研究装置。
2021年5月，此装置成功将等离子体环路加热至1.8亿华氏度（约合1亿摄氏度），并维持了30秒，这一成绩打破了该装置于2020年创造的20秒的世界纪录。
在“人造太阳”领域，我国也一直在积极投入研发，并取得了令人瞩目的研究成果。
据公开报道，1965年，我国成立了核聚变研究机构——西南物理研究所，并于1984年建成我国第一个核聚变大科学装置——中国环流一号，利用磁约束聚变原理来研究可控核聚变。
1995年，中国第一个超导“托卡马克”装置在合肥建成。
2020年，“中国环流三号”建成，并于2023年实现在100万安培等离子体电流下的高约束模式下运行，再次刷新了中国磁约束聚变装置运行纪录。次年，“中国环流三号”首次发现并实现了一种先进磁场结构，提升了对核聚变的控制运行能力。
以上各国和国际组织对“人造太阳”的探索，足以说明可控核聚变这一技术对人类的重要性。“人造太阳”也因此成为备受公众关注的话题，人们希望它在未来成为一种清洁、安全和可持续的能源来源，改变全球能源格局。
能源自由在路上，挑战越大收获也越大
逐梦“人造太阳”，这条路远比人们想象中更加艰辛。
这个结论可以在过往的经历中得出：原子弹试爆成功9年后，人类就掌握了核裂变的能量，并用于发电。而人类自1952年第一颗氢弹试爆成功开始，就踏上了可控核聚变的研究之路，可直到今天，依然无法有效掌控这种巨大的能量之源。
目前，可控核聚变技术应用面临着包括高温等离子体的稳定性、先进材料的研发、氚的生成与回收等在内的诸多挑战。然而，挑战越大，动力越大，收获也越大。在持续实现突破的基础上，科学家们仍然在积极寻找各种解决方案，并坚信可控核聚变未来的巨大应用价值和广阔发展前景。
作为可控核聚变最直接的应用，核聚变发电的能量密度远高于传统能源。据估计，60公斤的核聚变燃料提供的能量相当于25万吨汽油。此外，核聚变的能量转换效率也远高于传统化石燃料发电和核裂变发电，其产生的高温等离子体可以用于驱动轮机发电，具有清洁、高效和稳定的特点，且其反应产物为无放射性的氦气，对环境无害。
除此之外，可控核聚变还将给航天、军事领域带来深刻影响。在太阳能无法利用的深空环境中，可控核聚变能为长距离、长时间的深空探测任务提供可靠动力。相比传统化石燃料或核裂变，核聚变能为航天器推进提供更大推力和更长飞行时间，有利于人类在太空走得更深更远。可控核聚变将为军队武器装备全电化提供强大动力，全电化无人作战装备可以长时间部署于战场，持续发挥效能。这种作战模式将以电能作为“弹药”，颠覆传统作战中武器装备对弹药的依赖。
可控核聚变到底什么时候能够面向实际应用，方便人类的生产生活呢？世界各国的科学家一直在努力。
今年8月，中韩核聚变双边合作联合协调委员会第十二次会议在韩国首尔召开。中韩双方的政府代表、科学家、工程师约40人出席了会议，讨论了两国在磁约束核聚变及相关领域的合作，共同推进国际热核聚变实验堆计划的联合实施。
核聚变工业协会（FIA）于2024年7月发布的《2024年全球聚变行业：聚变公司调查》显示，截至2024年4月，全球可控核聚变行业所获得的总投资额已达到71亿美元，总投资较2023年同期增加9亿美元，相比2022年同期增加23亿美元，相比2021年同期增加51亿美元。受调查的绝大多数公司预计将在2030年代实现聚变发电，其中70%的公司认为这一目标将在2035年之前实现。
“人造太阳”不是梦。随着各国投入的不断加大，可控核聚变从实验室走向实际应用的目标正逐步变为现实。
