中国“人造太阳”离“点火”还差多远？

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导语：被称为“新一代人造太阳”的“中国环流三号”（HL-2M）托卡马克装置，于8月25日首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，100万安培电流是个什么概念？有怎样的关键意义？

新一代人造太阳“中国环流三号”

一、核裂变和核聚变有什么区别？

比如一个电烧水壶是2200W，它的电流为2200/220=10A，那么，1000万安培相当于100万只同时烧水时的电流大小。达到100万安培这个数值，标志着我国“人造太阳”向着核聚变点火又迈出了重要一步。

核聚变，是一种核反应的形式，即轻原子核(例如氘和氚)结合成较重原子核(例如氦)时放出巨大能量的过程。在不加约束的情况下，核聚变往往是剧烈而不可控的。长期以来，实现可控核聚变，为人类的发展提供源源不断的能源是人们的愿景。

相较于核裂变，普通人对核聚变的了解程度可能更低，甚至还经常理不清这两者的关系。

如果说通过分裂重原子核来产生能源的核裂变，是将原本完整的镜子打碎，那么核聚变可以说恰恰相反，其产生能源的方式是将打碎的镜子复原，通过“破镜重圆”来释放能量。

核裂变与核聚变的区别示意图

我们都知道，爱因斯坦有个著名的质能方程E=mc2。当一个重原子分裂为两个轻原子时（核裂变），或两个轻原子融合为一个重原子时（核聚变），反应的过程会产生一点点的质量亏损，而这损失的一点点物质会变成巨大的能量释放出来，这能量究竟有多大呢？——光速的平方倍。

太阳内部便每时每刻都在发生着类似的核聚变反应，从而源源不断地发出光和热。

二、挡在核聚变点火前面的“三座大山”

核聚变点火作为实现可控核聚变的关键步骤，是实现可控核聚变的前提和基础。如今，实现核聚变点火这一目标，正在逐渐走向现实。

英国物理学家劳森在上世纪50年代提出了著名的“劳森判据”，即当核聚变反应的能量产出率大于能量损耗率，并且有足够能量使核聚变反应稳定持续时，通常意味着核聚变点火成功。

温度、密度、约束时间这三个参数的乘积，即所谓聚变三乘积大小的判断，燃料的离子温度、等离子体密度和能量约束时间是核聚变装置点火的关键性参数，三个参数成为点火的关键。翻越三座大山，提高三乘积才能让可控核聚变走向现实。

而在磁约束核聚变装置中，上述三个参数中的等离子体密度和能量约束时间恰恰与等离子体电流成正比。“等离子体电流越高，等离子体密度和能量约束时间这两个参数就越高，就可以更加接近点火要求的聚变三乘积。”

极轻的核（或粒子）在反应过程中质量并不守恒，有一部分参与聚变的原子核物质被转化为了能量。其转化比例远超重核变化为轻核的核裂变反应，根据质能方程，这一能量十分巨大。

两个轻核形成一个重核与一个粒子

两个轻核在正常状态下一旦靠近会因为电荷而互相排斥。不过，一旦温度够高形成原子核与电子分开的等离子体，且体系的约束力够强，就能使核力（作用于原子质子和中子之间的力，但仅作用于极小范围内）发挥作用，打破电荷斥力的影响产生重核，并释放大量能量。

若核子密度够高、运动够快、反应持续时间够长，则轻核互相接近的几率越大，达到某一临界点后即可产生可持续的核聚变反应。因此产生核聚变反应的重要条件是创造环境，对反应的等离子体产生足够的温度、密度和维持时间。

太阳内部的温度仅有约1500万摄氏度，但其超高的压强和约束时间使得聚变反应容易产生。根据英国物理学家劳森在1957年的推导，在托卡马克装置内，要想使得核聚变反应“有利可图”（即输出能量超过输入能量），氘氚反应必须在约1.5亿摄氏度的等离子体温度前提下，让等离子体的密度与约束时间的乘积至少达到10的22次方级别。

三、托卡马克稳定运行，等离子体电流必须超过1兆安

托卡马克装置最初由苏联于1950年代提出并制造，名字是俄语中环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）的结合。

托卡马克装置示意图

托卡马克装置的结构都大同小异。主要容器是一个环形的真空室，外面缠绕多组线圈。真空室内充入一定量反应气体，在预电离等手段的作用下产生少量离子，然后通过感应或者微波注入等方式，激发并维持一个强大的环形等离子体电流。这个等离子体电流与外面的线圈电流一起形成一个螺旋形磁场，反应过程中外层的等离子体被卷在螺旋形磁力线上不溢出，就能够将高温等离子体封闭，使其与外界尽可能地绝热。在确保等离子体被约束的前提下，等离子体不断通过中性束、电子/离子共振等手段加热到上亿度的高温，以达到核聚变反应的条件。

采用磁约束的根本原因是地球上没有任何材料可以直接承受反应中心上亿度的高温，反应过程中高温等离子体会飞散开来，太阳内部利用巨大的重力进行约束。为了避免超过1亿摄氏度的等离子体飞溅损坏材料，必须使用超高电流产生的“磁笼”将等离子体束缚住：电流越大，产生的磁场越强，能够更好地束缚和压缩等离子体，有利于形成更大的等离子体密度。此外，电流装置可能采用超导方案，以避免超高电流的附带问题。

四、中国“人造太阳”离“点火”还差多远？

数十年中，国内外的托卡马克装置一直在努力突破提高三乘积这三座大山，在等离子体温度约为1.6亿摄氏度的前提下，相对最容易实现工程化。最先进的聚变试验堆已经达到了这个温度，但在等离子体密度和维持时间上距离“点火条件”还存在着一定的差距。

等离子体在环形磁场内运行

作为我国最新一代托卡马克装置“环流3号”由之前的HL-2M更名而来，属于中型核聚变研究装置，是HL-2A经过改造升级后的产物，于2020年建成并投入试验。改造后的HL-2M拥有了更先进的结构与控制方式，具备更强的加热功率，等离子体温度最高能超过2亿摄氏度。它的真空室主半径为1.78米，设计最高能承载250万安培的电流，能够由非超导铜线圈产生最大2.2特斯拉的磁场，会对等离子体形成更强、更稳定的内部约束磁场。

根据专家的介绍，聚变堆的聚变功率与等离子体电流的平方成正比，意味着反应功率仍将有几倍的提升空间。这将显著影响上述三个参数中的密度和约束时间，进一步增加核聚变反应的速率，尝试接近劳森判据的临界点。

高性能计算机和相关算法的引入对于提升约束时间起到了最关键的作用，我国拥有比较丰富的等离子体的数值模拟经验，使得磁约束时间在国际上处于较为领先的地位。

我国的另一个“人造太阳”项目被称为东方超环的EAST，是全球首个非圆截面全超导托卡马克，的中间是高11米、直径8米的圆柱形大型超导磁体，外侧则由超导材料制成的线圈围成。

以我国目前最尖端的“环流3号”和EAST实验堆为例，在大约1.5亿摄氏度的条件下，能够以大约10的19次方级别密度持续约100秒可重复的等离子体运行。在“环流3号”有潜力进一步大幅提升约束电流的前提下，若能同时再将磁约束时间提升到1000秒以上，就将十分接近劳森判据。

结语：国际上可控核聚变被称为“普罗米修斯盗火”，是国家综合技术实力的一种体现。能够带领人类再一次走向光明。可控核聚变和人工智能代表未来的先进生产力，它们的发展将成为下一代工业革命的钥匙，人类将拥有无限能源并摆脱重复劳动。

参考文献：

1.中核集团. 我国掌握可控核聚变高约束先进控制技术. 2023-8-28

2.中国科学院等离子体物理研究所. 什么是托卡马克？

3.中国科协. 新一代人造太阳“中国环流三号”再创纪录. 2023-9-17

4.科技日报. 提高三乘积，让可控核聚变走向现实

5.澎湃新闻. 为何核聚变总在“五十年后”？美国聚变点火有何弦外之音？