美国“人造太阳”取得重大突破？可控核聚变商业化另有他路，超导技术或为关键一环

目的或为核武器研究，核聚变商业化另有他路

2022年12月13日，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室国家点火装置，在过去两周间通过“惯性局限融合”技术，以全球最大型的激光去撞击氢电浆粒子，引发核聚变反应。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，结果输出了3.15兆焦耳的聚变能——产生净能量增益。

英国《金融时报》称，尽管该实验产生的能量比激光器输入的能量高，但光是激光器运行就需要约300兆焦的能量，就整个系统而言，产生的能量仍微不足道。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室主任基姆·布迪尔表示，实现核聚变商业化可能需要数十年，核聚变技术还需克服诸多障碍，包括实现每分钟完成多次聚变点火，并拥有稳健的驱动程序系统等。

对于实验目的，科学界也尚有争议。中国工程院院士杜祥琬在接受媒体采访时指出，该实验的定位也不是商用的能源装置，美国此次开展的激光能可控核聚变，根本目的是研究核武器相关的物理问题。

事实上，核聚变商业化前景更好的并非是国家点火装置所代表的高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变，而是另一条技术路线——利用磁约束的托卡马克装置。其中位于法国南部的“国际热核聚变实验堆（ITER）”是可与美国国家点火装置相提并论的超级可控核聚变实验装置。

在我国核聚变能发展的三步走发展规划中，第三步为2030-2050年，将实现科研到商业化的转变，继续走国际合作之路，联合建造示范堆，或者建造“中国磁约束核聚变示范堆”，进而实现核聚变能源的商用化。而作为核聚变发电实用化更加切实可行的途径，目前最有希望的正是由35个国家合作在法国建设的国际热核聚变实验堆（ITER）。

助力人类能源终极梦想，超导技术或为关键一环

可控核聚变技术是被全人类寄予厚望的未来能源方式，它利用的是太阳燃烧的原理来释放热量，因此这类实验装置常被称作“人造太阳”。我国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）位于中科院合肥物质科学研究院，其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。

现在的核电站可以称为基于可控核裂变反应的核电站。所谓核裂变就是通过中子轰击把大质量的原子分裂成小质量的原子和新的中子，产生大量的能量，这样的反应称为链式反应。原子弹的原理就是通过不可控核裂变反应，让能量在瞬间释放出来。而人类现在已经掌握了可控核裂变的技术，可以让核裂变反应的能量缓慢、可控地释放出来。

但可控核裂变和可控核聚变是完全不同的两回事，核聚变是由两个质量较小的氢原子同位素氘和氚原子进行聚合反应产生氦原子和大量的能量，这样的反应在太阳上已经持续了46亿年，为大自然带来光和热。可控核聚变的终极目标，就是让海水中大量存在的氘在高温条件下像太阳一样发生核聚变，为人类提供源源不断的清洁能源。

核聚变反应释放的能量比核裂变更大，所以核聚变更难控制。但相对于核裂变而言，核聚变反应不会产生长期且高水平的核辐射，不产生核废料，而且反应产物是无放射性污染的氦。由于核聚变需要极高温度，一旦某一环节出现问题，燃料温度下降，聚变反应就会自动中止。核聚变的原料极为丰富，其中氘在海水中储量极为丰富。可控核聚变有朝一日能够实现的话，将会为人类提供接近无限的能源。

值得一提的是，可控核聚变技术和EAST装置虽最早起源于国外，但中国实现了后来者居上，处于国际领先地位。2016年2月，合肥全超导托卡马克物理实验就实现了电子温度达到5000万摄氏度持续时间最长的等离子体放电；2021年5月28日，全超导托卡马克核聚变实验装置创造了可重复的1.2亿摄氏度的高温，并且持续了101秒，同时还实现了1.6亿摄氏度持续20秒的运行。2021年12月30日，全超导托卡马克核聚变实验装置又实现了7000万摄氏度高温下1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，打破了自己保持的世界纪录，标志着我国在可控核聚变研究上处于世界领先水平。

中国的“人造太阳”

不过，实现可控核聚变商业化还需要突破许多难关，其中最大的难题是如何控制和约束核聚变反应。产生核聚变需要上千万度的高温，目前世界上没有任何化学物质能够承受，所以通常有三种物理方式约束核聚变反应：重力场约束、磁力场约束和惯性约束。

托卡马克装置的核心就是产生强磁场，磁场强度需要大于10特斯拉。我们熟悉的普通磁铁和冰箱贴，它们的磁场强度仅有0.001-0.01特斯拉，远远达不到技术要求，为此就要用线圈通电产生磁场。而线圈由导线缠绕组成，无论哪种材料，只要在超导温度以上，电阻是必然存在的。托卡马克装置要想产生极强的磁场，导线中必须通极大的电流。导线中的电阻不仅导致能耗增加，而且也限制了极大电流的产生。

超导技术的发展，给这一问题带来了转机（点击了解更多）。只要借助超导技术，理论上就可以解决电阻和损耗的问题，于是使用超导线圈并使用液氮或液氦制造超低温的托卡马克装置就诞生了。这就是超托卡马克装置，即最著名的磁力场约束核聚变的方法。目前世界各国的主攻可控核聚变的方向都是磁约束的方向，也是最有希望实现可控核聚变的方向。

人类最大的困扰其实归根结底是能源问题，发展可控核聚变技术意义深远。未来，如果可控核聚变真的实现了，所带来的接近无限的清洁能源将会彻底解决能源问题。温室效应导致的全球变暖将会成为历史，廉价的能源也会加快经济建设和工业生产，同时也会帮助改善环境的治理。可控核聚变的实现意味着人类将会进入一个新的纪元。