文｜白寧

歷史早已明示，凡涉及能源走向的問(wèn)題，都不是小問(wèn)題?？煽睾司圩兊拿恳粋€(gè)進(jìn)步，都在推動(dòng)人類(lèi)向著夢(mèng)幻中的未來(lái)前行，一步可跨千里。

在安徽省合肥市西郊，有一座三面環(huán)水的小島，合肥人習(xí)慣稱(chēng)之為“科學(xué)島”。東方超環(huán)就坐落在這里，它被稱(chēng)為“世界聚變工程的非凡業(yè)績(jī)”“世界聚變能開(kāi)發(fā)的杰出成就和重要里程碑”。圖為通往科學(xué)島的公路

《三體II》中，故事的主人公羅輯從長(zhǎng)達(dá)185年的冬眠中醒來(lái)的第一天，因?yàn)橐恢粺崤Ｄ痰谋蛹?dòng)不已——只需要推動(dòng)這個(gè)杯子底部的一個(gè)滑動(dòng)按鈕，它就能自己加熱到想要的溫度，然而杯底與杯子是一體的，除了那個(gè)滑動(dòng)開(kāi)關(guān)外沒(méi)有外接裝置，包括充電口。那么，杯子如何充電？難道是永動(dòng)機(jī)？這個(gè)人類(lèi)自古以來(lái)的夢(mèng)想之物終于發(fā)明出來(lái)了？不過(guò)很快，羅輯就失望了。新的世界里并沒(méi)有永動(dòng)機(jī)，無(wú)所不在的電來(lái)自電磁波，用電設(shè)備可以通過(guò)天線(xiàn)或磁共振線(xiàn)圈完成充電。

這種技術(shù)，現(xiàn)在我們稱(chēng)為“無(wú)線(xiàn)充電”，是一種無(wú)論在小說(shuō)還是真實(shí)世界里都已不罕見(jiàn)的技術(shù)。之所以沒(méi)有普遍使用，是因?yàn)檫@種供電方式損耗太大，發(fā)射到空間中的電能只有一小部分會(huì)被接收使用。那么，為什么在羅輯冬眠醒來(lái)的時(shí)代，無(wú)線(xiàn)供電的損耗就變得可以接受了呢？因?yàn)樵谀莻€(gè)科幻故事中，可控核聚變技術(shù)成熟了。這種技術(shù)可以通過(guò)極少的原料產(chǎn)生巨大的能量，幾乎相當(dāng)于一種無(wú)限的能源。

而羅輯的失望之處在于，即便在他冬眠之前，人類(lèi)掌控可控核聚變也是遲早的事，只是人類(lèi)并不像他以為的已經(jīng)突破了三體人的科技封鎖——人類(lèi)雖然得到了近乎無(wú)盡的能量，但也只是“近乎無(wú)限”。

這至少告訴了我們一件事：即使在科幻小說(shuō)的設(shè)定中，也認(rèn)同“可控核聚變≈無(wú)限能源”。當(dāng)然，前提是我們能夠掌控它。

2021年12月30日晚，中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所爆出了一條核聚變領(lǐng)域的突破性消息：EAST（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak，簡(jiǎn)寫(xiě)為EAST）全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（又被稱(chēng)為“東方超環(huán)”）實(shí)現(xiàn)了1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間。

這么一長(zhǎng)串?dāng)?shù)字和專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，普通人顯然很難理解，可能需要借助別人的解讀才能觸及重點(diǎn)——“我們已經(jīng)全面驗(yàn)證了未來(lái)核聚變發(fā)電的等離子體控制技術(shù)，推動(dòng)其從基礎(chǔ)研究向工程應(yīng)用邁進(jìn)了一大步?！敝袊?guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長(zhǎng)、等離子體物理研究所所長(zhǎng)宋云濤在接受記者采訪(fǎng)時(shí)這樣說(shuō)。

什么是人類(lèi)的終極能源

20世紀(jì)末，國(guó)際能源署給能源領(lǐng)域的2000個(gè)科學(xué)家發(fā)了一份調(diào)查問(wèn)卷，其中一個(gè)問(wèn)題是“人類(lèi)的終極能源是什么”。最終，約20%的人寫(xiě)了“可再生能源”，剩下近80%的回答都是“核聚變”。

首先來(lái)看“可再生能源”。能成為人氣第二的終極能源候選者，大概和它取之不盡、清潔無(wú)污染的特點(diǎn)有很大關(guān)系。但無(wú)法成為第一候選，主要是因?yàn)樗茉磳傩陨系娜秉c(diǎn)：一方面，產(chǎn)能效率太低，低到遠(yuǎn)比不上化石能源，而在“終極能源”的比拼中，化石能源的產(chǎn)能效率是處于鄙視鏈中下游的；另一方面，過(guò)于依賴(lài)自然條件，無(wú)法充當(dāng)穩(wěn)定的能量來(lái)源。

而核聚變作為一種能量來(lái)源，無(wú)論從哪種角度去看，都堪稱(chēng)完美。如果說(shuō)，世界上存在一種堪稱(chēng)“終極”的能源，那只可能是核聚變。有人甚至認(rèn)為，有了它之后，人類(lèi)不再需要其他任何一種能源。

核聚變的產(chǎn)能方式和目前世界上產(chǎn)能效率最高的核電站類(lèi)似，也來(lái)自“人類(lèi)可以獲得的最大的能量所在”——將質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量。至于轉(zhuǎn)化的比值，愛(ài)因斯坦早在1905年便指明了：E=mc2（E 為能量，m 為質(zhì)量，c 為光速）。但兩者還有微妙的區(qū)別：現(xiàn)有核電站的能量均來(lái)自核裂變。“聚”和“裂”，這一字之差，也是導(dǎo)致二者在實(shí)際效果上差異巨大的根本原因。在原子核的尺度上，無(wú)論發(fā)生裂變還是聚變，當(dāng)新原子核誕生時(shí)，都伴隨著質(zhì)量的損失和巨量能量的釋放。以此為基礎(chǔ)，在核裂變的方向上，人類(lèi)研究出了原子彈，在核聚變的方向上，氫彈得以誕生。

核裂變的原料是放射性元素鈾-235，在自然界中極其有限，只占天然鈾的0.711%。按照目前人類(lèi)的總體能量需求計(jì)算，如果將供能方式都換成核裂變，不到100年，鈾-235就會(huì)全部耗盡。而核聚變所需的原料是氫的同位素，大量存在于海水中。假如把整個(gè)大海里所有氫的同位素都拿過(guò)來(lái)進(jìn)行聚變，產(chǎn)生的能量大概相當(dāng)于世界石油儲(chǔ)能的1000億倍，可供人類(lèi)使用幾百億年，這比太陽(yáng)壽命（50億年）還高了數(shù)倍，是真正用之不竭的能源。

鈾-235 是鈾的3 種天然同位素之一，是自然界唯一能夠發(fā)生可控裂變的同位素，主要用作核反應(yīng)中的核燃料，也是制造核武器的主要原料之一。在天然礦石中，鈾的3 種同位素共生，其中鈾-235 的含量非常低。只有把其他同位素分離出去，不斷提高鈾-235 的濃度，它才能用于制造核武器,這一加工過(guò)程就是鈾濃縮。

另一方面，從理論出發(fā)，核聚變的質(zhì)量損失比核裂變更多，因此核聚變的能量轉(zhuǎn)化效率更高。這也是氫彈比原子彈威力更大的原因。相同質(zhì)量的原料，聚變反應(yīng)釋放的能量大約是裂變反應(yīng)的4倍。

此外，核聚變反應(yīng)物沒(méi)有放射性，聚變后的產(chǎn)物阿爾法粒子也沒(méi)有放射性，所以核聚變不會(huì)造成污染；又因?yàn)楹司圩兎磻?yīng)發(fā)生條件的限制（下文會(huì)講到），發(fā)生不可控爆炸的概率被視為0。這一切就意味著，核聚變極其安全——事實(shí)上，擁有核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置的中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，就穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)刈溆诤戏适小?/p>

然而，核聚變?cè)谌藗冃闹械牡匚蝗绱顺绺撸鋵?shí)并不只是因?yàn)樗軌蛱峁┳銐蚨嗟那鍧嵞茉?。任何涉及能源走向的?wèn)題，都可能影響整個(gè)人類(lèi)的發(fā)展進(jìn)程。一旦掌握了可控核聚變，人類(lèi)圍繞能源發(fā)生的博弈與激烈摩擦，將徹底成為歷史；因追求能量而造成的環(huán)境污染問(wèn)題，也會(huì)逐漸消失，生態(tài)環(huán)境將回歸理想狀態(tài)；更重要的是，它是人類(lèi)進(jìn)入下個(gè)文明階段的鑰匙。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，因?yàn)槟壳笆褂玫娜剂闲芴?，火箭為了飛得更遠(yuǎn)，只能盡量多帶推進(jìn)燃料，在燃料比重占到火箭總重90%及以上時(shí)（比如長(zhǎng)征七號(hào)火箭起飛總重近600噸，液氧煤油推進(jìn)劑就占了500多噸），才有希望運(yùn)送航天器到達(dá)月球、火星或金星附近，但也基本被限制在太陽(yáng)系之內(nèi)（目前火箭基本都靠化學(xué)能產(chǎn)生動(dòng)力，燃燒劑以煤油、酒精、偏二甲肼、液態(tài)氫等為主，并用液態(tài)氧、四氧化二氮等提供的氧化劑助燃）。

從效能的角度來(lái)看，1克氫的同位素如果完全聚變，釋放出的能量和8噸左右航空煤油（航空煤油的熱值為42兆焦/千克）的能量相當(dāng)。也就是說(shuō)，粗略計(jì)算的話(huà)，如果使用核聚變供能，長(zhǎng)征七號(hào)火箭需要的燃料重量只有50克，而飛行器只需要攜帶極小質(zhì)量的能源，就可以在宇宙中任意翱翔，這也是人類(lèi)實(shí)現(xiàn)宇宙旅行的基本要求。

核聚變反應(yīng)示意圖

1964年，蘇聯(lián)天體物理學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)舍夫提出了一種劃分宇宙中文明等級(jí)的方法，其標(biāo)準(zhǔn)是文明所掌握的能量的等級(jí)。I型文明：掌握文明所在行星以及周?chē)l(wèi)星能源的總和；Ⅱ型文明：掌握該文明所在的整個(gè)恒星系統(tǒng)（太陽(yáng)系）的能源；III型文明：掌握該文明所在的恒星系（銀河系）里面的所有能源，并為其所用。根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，很顯然，目前人類(lèi)連I型文明也沒(méi)達(dá)到。而可控核聚變，正是人類(lèi)觸摸宇宙文明門(mén)檻的最低要求。

再退一步看，原始文明以萬(wàn)年為單位，農(nóng)耕文明以千年為單位，機(jī)械文明以百年為單位，信息文明則以10年為單位。每一級(jí)文明的成功躍遷，都需要依靠超指數(shù)級(jí)別的能量和資源供給。在現(xiàn)有能源可大規(guī)模開(kāi)采利用的時(shí)間只剩短短百年的前提下，如何保證文明不發(fā)生倒退？目前來(lái)看，可控核聚變是唯一的途徑。

ITER 計(jì)劃：一個(gè)聯(lián)合世界超50%人口的大項(xiàng)目

對(duì)人類(lèi)而言，作為一種產(chǎn)能方式，核聚變雖然近乎完美，卻還是有一個(gè)缺點(diǎn)——實(shí)在太難掌控了！

原子彈試爆成功9年后，人類(lèi)就掌控了核裂變的能量，并用于發(fā)電。相比之下，自1952年第一顆氫彈試爆成功開(kāi)始，人類(lèi)就踏上了可控核聚變的研究之路，可直到60多年后的今天，依然無(wú)法掌控這種巨大的能量之源。這難道是因?yàn)楹司圩兾锢韺W(xué)家沒(méi)有核裂變研究者聰明嗎？當(dāng)然不是，實(shí)在是因?yàn)榭刂坪司圩冞@件事太難。

初中物理告訴我們，物質(zhì)有3種基本形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。其實(shí)當(dāng)物質(zhì)的溫度高到一定程度后，就會(huì)處于等離子態(tài)，這時(shí)電子會(huì)和原子核分開(kāi)，處于游離狀態(tài)的原子核就可以互相接近，開(kāi)始核聚變反應(yīng)。利用高溫產(chǎn)生等離子體，讓它們進(jìn)行核聚變反應(yīng)，正是目前物理學(xué)家想到的可控核聚變的解決方案。

那么，所謂的高溫具體要高到什么程度呢？基本要達(dá)到1億攝氏度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)度）。1 萬(wàn)度是自然界材料可以承受的溫度上限，這種比1萬(wàn)度還高，高到1萬(wàn)倍的極度高溫，目前沒(méi)有任何材料可以直接承受。

但只是達(dá)到高溫還不行。在高溫的前提下維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間（即約束時(shí)間），聚變反應(yīng)放出的能量，才能高于產(chǎn)生以及加熱等離子體本身所需的能量，實(shí)現(xiàn)自持聚變，也就是點(diǎn)燃了“燒”聚變?cè)系奶厥狻盃t子”，“聚變點(diǎn)火”成功。這個(gè)過(guò)程，被網(wǎng)友生動(dòng)地稱(chēng)為“燒開(kāi)水”。根據(jù)勞森判據(jù)（即維持核聚變反應(yīng)堆中能量平衡的條件），三重積（3個(gè)向量相乘的結(jié)果，這里指溫度、約束時(shí)間和密度的乘積）的值需要大于1022倍，“聚變點(diǎn)火”才能實(shí)現(xiàn)。什么材質(zhì)的“爐子”才能長(zhǎng)時(shí)間維持1億度的高溫？這簡(jiǎn)直無(wú)法想象。

不過(guò)最終，人們還是找到了一種方法，即托卡馬克（Tokamak）裝置，一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。Tokamak 一詞來(lái)自俄文單詞環(huán)形、真空室、磁和線(xiàn)圈的縮寫(xiě)。這一裝置的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線(xiàn)圈。通電之后，托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場(chǎng)，可以將其中的等離子體加熱到很高的溫度，觸發(fā)核聚變。

提出這個(gè)裝置構(gòu)想的是蘇聯(lián)人。1958年，蘇聯(lián)建成世界上第一個(gè)托卡馬克裝置T-1。此后，分別于1965年、1968年正式發(fā)表了T-1的第一批和第二批實(shí)驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于當(dāng)時(shí)世界上其他所有核聚變研究裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了證明自己數(shù)據(jù)的真實(shí)性，蘇聯(lián)人邀請(qǐng)英國(guó)科學(xué)家獨(dú)立診斷、測(cè)量參數(shù)。沒(méi)想到，英國(guó)人測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)比蘇聯(lián)人自己測(cè)出來(lái)的還高。這開(kāi)啟了聚變研究的托卡馬克時(shí)代，從此，全世界的磁約束核聚變研究都開(kāi)始沿著這條道路前行。

20世紀(jì)90年代，美、歐、日先后做了3個(gè)大的托卡馬克裝置（美國(guó)于1982年建成TFTR、 歐洲于1983年建成JET、日本于1985年建成JT-60），都能在三五秒內(nèi)維持核聚變反應(yīng)，且可重復(fù)。這意味著，科學(xué)上的可行性在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

不過(guò)，不論是從經(jīng)濟(jì)投入還是從科學(xué)難度而言，核聚變研究都是一個(gè)極其困難的項(xiàng)目，不是單個(gè)國(guó)家能獨(dú)立承擔(dān)得起的。比如，日本1985年運(yùn)行的JT-60，就耗資2300億日元，這相當(dāng)于當(dāng)時(shí)的153億人民幣。于是，在核聚變研究領(lǐng)域，人們開(kāi)始尋求國(guó)際合作。1985年，蘇、美兩國(guó)聯(lián)合歐、日，發(fā)起了“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃”（International Themonuclear Experiment Reactor Project，簡(jiǎn)寫(xiě)為ITER 計(jì)劃）。不過(guò)ITER計(jì)劃啟動(dòng)沒(méi)幾年，蘇聯(lián)因故退出了研究。而美國(guó)因?yàn)榻?jīng)濟(jì)衰退，以及昔日競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的缺席，先是以這項(xiàng)研究過(guò)于燒錢(qián)為由，縮減了預(yù)算，后來(lái)干脆也直接退出。反而是一開(kāi)始在ITER 中沒(méi)那么核心的歐洲和日本堅(jiān)持了下來(lái)。

到2006年，中、美幾乎同時(shí)加入（相差一天）ITER，隨后俄、韓、印也宣布加入，一個(gè)全新的“ITER 計(jì)劃”就此誕生。不過(guò)，之后因?yàn)榉N種原因，計(jì)劃又一再延期，也因此引起了國(guó)際上關(guān)于“聚變?nèi)迨昃蛯?shí)現(xiàn)”的調(diào)侃：30年前就說(shuō)“聚變?nèi)迨昃蛯?shí)現(xiàn)”，30年過(guò)去了，還是說(shuō)“聚變?nèi)迨昃湍軐?shí)現(xiàn)”。

目前，參與ITER 的國(guó)家已經(jīng)有35個(gè)。這35個(gè)國(guó)家的人口占了世界人口的一半以上，財(cái)富占比則在80%左右。一個(gè)科技項(xiàng)目能聯(lián)合如此巨大的力量，堪稱(chēng)人類(lèi)歷史上的一個(gè)創(chuàng)舉。ITER 也成為21世紀(jì)最為雄心勃勃的能源科技合作項(xiàng)目。這一項(xiàng)目預(yù)期將持續(xù)30年：10年用于建設(shè)，20年用于運(yùn)行；預(yù)計(jì)將耗資100多億歐元，目標(biāo)是建成一個(gè)高30米、直徑30米、重達(dá)2萬(wàn)噸、輸出功率50萬(wàn)千瓦的龐然大物。

ITER 聚變反應(yīng)堆托卡馬克裝置的核心部分示意圖

目前，ITER還處于建設(shè)階段。2020年7月28日，ITER 正式進(jìn)入最后5年組裝階段。截至2021年5月，第一等離子體的完成率接近75%，并將于其后數(shù)年開(kāi)始嘗試啟動(dòng)反應(yīng)堆，預(yù)計(jì)

人類(lèi)“種太陽(yáng)”的夢(mèng)想

于2025年正式開(kāi)始等離子體實(shí)驗(yàn)。

各國(guó)在ITER 計(jì)劃上展開(kāi)合作，同時(shí)也都在這個(gè)項(xiàng)目的引領(lǐng)下，進(jìn)行自己國(guó)家的核聚變研究。因?yàn)楹司圩円彩翘?yáng)能量的來(lái)源，核聚變研究裝置又被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”，建造這類(lèi)裝置也就有了一個(gè)生動(dòng)的稱(chēng)呼“種太陽(yáng)”。

目前，美國(guó)、日本、歐盟、韓國(guó)等都有各自的“人造太陽(yáng)”，我國(guó)也已經(jīng)“種”下了自己的“太陽(yáng)”。在正式簽約加入ITER計(jì)劃那一年，也就是2006年，我國(guó)完成了對(duì)“人造太陽(yáng)”的全新升級(jí)——EAST 全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（東方超環(huán)），它同時(shí)也是ITER 的眾多引導(dǎo)裝置之一。

從起步時(shí)間來(lái)看，我國(guó)的受控核聚變研究與國(guó)際幾乎保持了同步。1955年，錢(qián)三強(qiáng)和剛留美歸來(lái)的李正武等科學(xué)家便倡議在我國(guó)開(kāi)展“可控?zé)岷朔磻?yīng)”研究，以探索核聚變能的和平利用。

1965年，我國(guó)在四川樂(lè)山的郊區(qū)建立了當(dāng)時(shí)中國(guó)最大的核聚變研究基地，即今天的核工業(yè)西南物理研究院。20世紀(jì)80年代，四川作家莫然曾造訪(fǎng)位于108級(jí)石梯之高的荒山上的研究所。她回憶，所里條件簡(jiǎn)陋，研究者只能睡在帳篷里，可謂一貧如洗。不過(guò)直到20世紀(jì)90年代，我國(guó)才有機(jī)會(huì)發(fā)展自己的托卡馬克。

“20世紀(jì)90年代，在蘇聯(lián)解體之前，蘇聯(lián)人打算把一個(gè)名為T(mén)-7的半超導(dǎo)托卡馬克裝置贈(zèng)送給其他國(guó)家，然后他們自己做一個(gè)更大的。我們的老所長(zhǎng)霍裕平對(duì)蘇聯(lián)專(zhuān)家說(shuō)，那就送給我們吧。”中國(guó)工程院院士、中國(guó)人造太陽(yáng)項(xiàng)目的學(xué)術(shù)帶頭人之一李建剛回憶道。

借由蘇聯(lián)人的裝置，我國(guó)開(kāi)啟了托卡馬克的研究，并開(kāi)始自主設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。此后，我國(guó)的核聚變研究突飛猛進(jìn)，也培養(yǎng)了一大批自己的核聚變?nèi)瞬?。在此基礎(chǔ)上，才有了2006年的東方超環(huán)。

我國(guó)核聚變領(lǐng)域的飛速發(fā)展正是世界核聚變研究的一個(gè)縮影。近些年，磁約束核聚變領(lǐng)域一直處于飛速發(fā)展中，基本每18個(gè)月，三重積就會(huì)翻一倍。這個(gè)速度比芯片行業(yè)每?jī)赡攴槐兜哪柖蛇€要快，卻完全沒(méi)有芯片行業(yè)高速發(fā)展的既視感——在指數(shù)級(jí)的數(shù)據(jù)差面前，再快的速度也如同爬行。

那么，現(xiàn)在核聚變領(lǐng)域具體做到什么程度了呢？

目前，溫度達(dá)到上億度已經(jīng)沒(méi)有問(wèn)題，極短時(shí)間內(nèi)，最高溫度甚至能達(dá)到三四億度。但一項(xiàng)技術(shù)如果想要商用，只是達(dá)到某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)還不行，還需要看能耗比，即Q 值（產(chǎn)生能量和消耗能量的比值）。核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大約有1/5可以利用，也就是說(shuō)，Q 值必須大于5，消耗的能量和獲得的能量才平衡。再考慮到能量形式轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損失，國(guó)際上公認(rèn)的能量收支平衡點(diǎn)是Q 值必須達(dá)到10以上。而要使核聚變發(fā)電具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，Q 值就需要達(dá)到30甚至以上。

目前，核聚變裝置輸出功率的世界紀(jì)錄是16兆瓦，和一個(gè)小型發(fā)電站的功率相當(dāng)。但是為了達(dá)成16兆瓦的輸出，維持磁場(chǎng)所需的功率要將近680兆瓦。算起來(lái)，這筆買(mǎi)賣(mài)實(shí)在是太虧了。怎么樣才能讓它減少消耗呢？在導(dǎo)體中，消耗的功率等于電流的平方與電阻的乘積，而當(dāng)溫度降到-269℃時(shí)，導(dǎo)體會(huì)進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，電阻也就消失了，這樣就可以最大限度降低消耗的功率。

所以，從工程可行性上講，做超導(dǎo)是核聚變實(shí)驗(yàn)的一個(gè)必需階段。

于是在2000年，我國(guó)為托卡馬克研究裝置升級(jí)時(shí)，就選擇了這種組合——?dú)v時(shí)6年建成的東方超環(huán)是超導(dǎo)和托卡馬克的結(jié)合體，這也是世界上誕生的第一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，首次將-269℃和上億度放在一起進(jìn)行核聚變研究。

但是，怎樣才能兼容-269℃和上億度這兩種如此極端的溫度呢？東方超環(huán)的解決方式是設(shè)置了5層保溫層，每層都以特殊處理進(jìn)行隔熱和降溫。最核心的溫度達(dá)到上億度，在進(jìn)行真空隔斷后，外側(cè)的溫度就只有幾千度。這個(gè)溫度，一些特殊材料就可以承受了。接著從幾千度繼續(xù)逐層下降到-269℃，這樣層層過(guò)渡，就實(shí)現(xiàn)了上億度到-269℃的有機(jī)結(jié)合。

而在投入巨大人力、物力推進(jìn)可控核聚變的進(jìn)程中，受惠的其實(shí)不僅是核聚變領(lǐng)域。核聚變研究中應(yīng)用的各方技術(shù)都代表著目前人類(lèi)科技的最高水平，這些技術(shù)一旦轉(zhuǎn)化到其他產(chǎn)業(yè)中，也會(huì)帶來(lái)巨大的提升，為全人類(lèi)服務(wù)。

比如，在此期間，我國(guó)的制造業(yè)就實(shí)現(xiàn)了飛躍。以承接了“ITER 磁場(chǎng)線(xiàn)圈超導(dǎo)線(xiàn)材”中國(guó)采購(gòu)包任務(wù)的“西部超導(dǎo)”公司為例，這個(gè)公司“不僅以高質(zhì)量（按照ITER國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）按時(shí)完成了任務(wù)，而且?guī)缀踉僭炝宋覈?guó)的超導(dǎo)工業(yè)：從一個(gè)幾十年才生產(chǎn)了三十幾千克超導(dǎo)材料的事業(yè)單位，發(fā)展成一個(gè)年產(chǎn)幾百?lài)嵉膰?guó)際一流超導(dǎo)材料企業(yè)。不僅為核聚變研究做出了貢獻(xiàn)，而且為我國(guó)加速器制造、核磁共振裝置制造等先進(jìn)制造業(yè)提供了支撐”。

再比如，醫(yī)院里的核磁共振就是使用超導(dǎo)技術(shù)做成的。之前的超導(dǎo)線(xiàn)材都從國(guó)外進(jìn)口，現(xiàn)在大部分都是國(guó)內(nèi)自己的企業(yè)在做，其中將近一半就出自西部超導(dǎo)。而歐盟在ITER 的項(xiàng)目中承擔(dān)的磁場(chǎng)線(xiàn)圈超導(dǎo)材料的招標(biāo)項(xiàng)目，中標(biāo)的也是中國(guó)企業(yè)。值得一提的是，其間，中、美、日的企業(yè)都參與了招標(biāo)，中國(guó)企業(yè)的報(bào)價(jià)也并不低，甚至比以高價(jià)著稱(chēng)的日本企業(yè)還高了不少，也就是說(shuō)，它純粹是因技術(shù)以及施工質(zhì)量取勝的。

“種下”的太陽(yáng)什么時(shí)候成熟？

再說(shuō)回核聚變實(shí)驗(yàn)。由于現(xiàn)在核聚變領(lǐng)域三重積與“點(diǎn)火”之間的目標(biāo)差距依然是指數(shù)級(jí)的，單純追求三重積沒(méi)有多大意義，所以，世界范圍內(nèi)的核聚變研究都在追求單項(xiàng)能力的爬升，等各項(xiàng)能力完善之后，才能實(shí)現(xiàn)整體突破。

目前，數(shù)據(jù)上表現(xiàn)不錯(cuò)的核反應(yīng)裝置有：

——?dú)W洲JET。托卡馬克Q值的世界紀(jì)錄0.67的保持者，紀(jì)錄誕生于1997年。

——日本JT-60。等離子體溫度的世界紀(jì)錄5.22億度的保持者。1997年12月，日本聲稱(chēng)在JT-60上實(shí)現(xiàn)了Q值1.25，三重積達(dá)到1.5×1021，但是不可重復(fù)，而且其中發(fā)生聚合的是條件較苛刻、效能較低的D-D 反應(yīng)（國(guó)際可控核聚變研究的主流是D-T 反應(yīng)），這也導(dǎo)致這次數(shù)據(jù)的價(jià)值大打折扣。因此，大部分人認(rèn)定的托卡馬克Q 值紀(jì)錄依然是歐洲JET 的0.67。JT-60于2010年被拆卸，在此基礎(chǔ)上升級(jí)的JT-60SA（超導(dǎo)型托卡馬克）還在建設(shè)中。

——韓國(guó)KSTAR。2020年11月23日，韓國(guó)聚變能源研究所宣布KSTAR將等離子體在高達(dá)1億度的高溫下維持了20秒，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界紀(jì)錄。

——美國(guó)NIF。2021年8月8日，美國(guó)NIF的激光脈沖（1.9兆焦）引發(fā)了燃料丸的核聚變爆炸，雖然只持續(xù)了百億分之一秒，但是依然產(chǎn)生了超過(guò)1.3兆焦的能量，是NIF 過(guò)去制造能量的8倍。

——中國(guó)EAST。2020年4月，東方超環(huán)在1億度的高溫下維持了近10秒。7個(gè)月后，這一紀(jì)錄被韓國(guó)的KSTAR 打破。2021年5月28日，東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億度、101秒等離子體運(yùn)行和1.6億度、20秒等離子體運(yùn)行。2021年12月30日，實(shí)現(xiàn) 1056 秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行。

想要了解這些數(shù)據(jù)的意義，可以與東方超環(huán)最初設(shè)置的目標(biāo)做個(gè)對(duì)比：通過(guò)極向場(chǎng)超導(dǎo)磁體，可以產(chǎn)生超過(guò)100萬(wàn)安的等離子體電流、在高功率加熱下溫度超過(guò)1億度、持續(xù)達(dá)1000秒。為什么時(shí)間要設(shè)置為1000秒？因?yàn)椤按蠹s所有的反應(yīng)在持續(xù)時(shí)間達(dá)到100秒的時(shí)候就基本穩(wěn)定了，而從科學(xué)家的角度說(shuō)，將這個(gè)時(shí)間尺度再拉長(zhǎng)10倍，就達(dá)到了穩(wěn)態(tài)”。此輪實(shí)驗(yàn)從2021年12月初開(kāi)始，到2022年6月結(jié)束，有更具突破性的數(shù)據(jù)表現(xiàn)。僅截至目前，東方超環(huán)已經(jīng)分別實(shí)現(xiàn)了100萬(wàn)安、1.6億度、1056秒等條件下的等離子體運(yùn)行。

此時(shí)，重讀文章開(kāi)頭中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所所長(zhǎng)宋云濤的話(huà)，可能會(huì)有更深的體會(huì)：我們已經(jīng)全面驗(yàn)證了未來(lái)核聚變發(fā)電的等離子體控制技術(shù)，推動(dòng)其從基礎(chǔ)研究向工程應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。當(dāng)然，這并不意味著核聚變的商用一定會(huì)在“三五十年”內(nèi)實(shí)現(xiàn)。但至少，當(dāng)我們?cè)谟懻摵司圩儏⑴c人類(lèi)未來(lái)的可能性時(shí)，多了一些確定性。

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