王大江 吳庭 王浩倫 于祺

2022年10月19日，中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”裝置（HL-2M）等離子體電流突破100萬(wàn)安培，創(chuàng)造了中國(guó)可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄。這標(biāo)志在“逐日”之路上，中國(guó)又向“開(kāi)發(fā)清潔能源”的夢(mèng)想邁進(jìn)了一大步。

什么是“人造太陽(yáng)”？為什么要建造“人造太陽(yáng)”？這其中蘊(yùn)含著怎么樣的物理學(xué)原理呢？

可能有朋友會(huì)發(fā)出這樣的疑問(wèn)，在全球氣候變暖的今天，再造一個(gè)“太陽(yáng)”，豈不是更熱了？

其實(shí)，新一代“人造太陽(yáng)”不是建在天上的另一個(gè)太陽(yáng)，而是科學(xué)家們?cè)诘厍蛏辖ㄔ斓囊蛔b置。它如同太陽(yáng)一樣利用核聚變反應(yīng)來(lái)源源不斷地釋放能量，因而被形象地稱作“人造太陽(yáng)”，其使命就是為人類提供清潔、穩(wěn)定的核聚變能。

微觀世界有一位極其重要的成員——原子。原子由原子核和核外電子構(gòu)成，核聚變中的“核”指的就是“原子核”?！熬圩儭笔侵敢环N聚合反應(yīng)。核聚變是兩個(gè)較輕的原子核，例如氘（dāo）和氚（chuān），發(fā)生聚合反應(yīng)而生成一個(gè)較重的原子核，在此過(guò)程中會(huì)釋放出巨大的能量，即“核聚變能”。

那么，在核聚變反應(yīng)過(guò)程中，為什么會(huì)釋放出巨大的能量呢？提到這個(gè)問(wèn)題，我們就得請(qǐng)出偉大的科學(xué)天才——愛(ài)因斯坦。

1905年注定是科學(xué)史上不平凡的一年，愛(ài)因斯坦面對(duì)蜂擁而來(lái)的學(xué)者、記者，在黑板上寫下質(zhì)能方程：E=mc2 。

從此，數(shù)百年來(lái)經(jīng)典物理學(xué)中物質(zhì)與能量的屏障被打破了。質(zhì)能方程中，E指能量，m指物質(zhì)質(zhì)量，它們之間存在簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，比值是光速c的平方。光速約等于3×108米/秒，光速的平方就約等于9×1016米/秒，這是一個(gè)極為龐大的數(shù)字，所以即便是很小的質(zhì)量虧損，也可以釋放出巨大的能量。核聚變正是利用這一點(diǎn)發(fā)揮出了核力強(qiáng)大的潛能。

核聚變反應(yīng)示意圖

原子核-核內(nèi)質(zhì)子與中子通過(guò)強(qiáng)核力克服斥力（庫(kù)侖力）束縛而成原子核的結(jié)構(gòu)

由于核聚變反應(yīng)過(guò)程中，原子核總質(zhì)量減小，所以自然而然會(huì)釋放出大量的核聚變能，這些能量如果在瞬間全部釋放，將會(huì)具有極大的破壞性，氫彈就是利用這一原理研制而成的。而在“人造太陽(yáng)”裝置中，需要將這些能量變得可控，從而緩慢地釋放出核聚變能用以發(fā)電。

實(shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)的條件極為苛刻：等離子體（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的物質(zhì)第四態(tài)）溫度、密度、能量約束時(shí)間，這3個(gè)參數(shù)的乘積（聚變?nèi)朔e）必須達(dá)到一定值，才能滿足聚變“點(diǎn)火”條件。

判斷聚變?nèi)朔e是否滿足“點(diǎn)火”條件的依據(jù)被稱為勞森判據(jù)。詳細(xì)而言，實(shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)需要：

非常高的溫度——中心溫度（T）需大于1億攝氏度，這種條件下核與核之間才能得到足夠的動(dòng)能發(fā)生碰撞；

高密度——需要盡可能提高反應(yīng)物質(zhì)的密度（n），從而在固定空間里增加原子核碰撞發(fā)生核聚變反應(yīng)的概率；

能量約束時(shí)間（τ）足夠長(zhǎng)——能量約束時(shí)間越長(zhǎng)，則核反應(yīng)維持的能力越強(qiáng)，能量損失越少，實(shí)際產(chǎn)出的凈能量就越多，如果能量約束時(shí)間過(guò)短，那么將會(huì)“入不敷出”，使得聚變產(chǎn)能失去意義。

為了滿足上述聚變反應(yīng)的條件，科學(xué)家提出過(guò)多種構(gòu)想，最終決定把重心放在磁約束核聚變的方法上。磁約束核聚變裝置種類繁多，前文提到的“人造太陽(yáng)”是一種托卡馬克裝置。托卡馬克裝置是由蘇聯(lián)科學(xué)家阿齊莫維齊在1954年發(fā)明的，它利用外加磁場(chǎng)將帶電粒子約束在一個(gè)環(huán)形真空容器內(nèi)，故此得名“托卡馬克”（俄語(yǔ)音譯，意為環(huán)形真空磁線圈）。

?“人造太陽(yáng)455d838a9496db50435e02e2131dad6f”（托卡馬克）裝置

2020年12月4日，中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”（HL-2M）裝置建成并實(shí)現(xiàn)首次放電，該裝置是中國(guó)目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的托卡馬克裝置。

裝置建成后備受關(guān)注，成果入選由中國(guó)科學(xué)院院士和中國(guó)工程院院士投票評(píng)選的2020年“中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”。它的建成是中國(guó)磁約束聚變發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，是中國(guó)開(kāi)展堆芯級(jí)聚變等離子體物理研究重要的試驗(yàn)平臺(tái)，將為中國(guó)深度參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃及未來(lái)自主設(shè)計(jì)、建造聚變堆提供重要技術(shù)支撐。

中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”（HL-2M）裝置總高度8.39米，直徑8米，主機(jī)總重470噸，由核工業(yè)西南物理研究院聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家單位研制，在裝置物理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特殊材料研制、材料連接與關(guān)鍵部件研發(fā)、總裝集成等方面取得多項(xiàng)突破，實(shí)現(xiàn)了可拆卸線圈結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了控制運(yùn)行水平，提升了裝置物理實(shí)驗(yàn)研究能力。部分技術(shù)突破了國(guó)外封鎖，解決了“卡脖子”問(wèn)題。

該裝置等離子體大半徑達(dá)到1.78米，小半徑0.65米，它的等離子體體積達(dá)到國(guó)內(nèi)現(xiàn)有裝置2倍以上，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體離子溫度可達(dá)到1.5億攝氏度，相當(dāng)于太陽(yáng)芯部溫度的近10倍，能實(shí)現(xiàn)高密度、高比壓、高自舉電流運(yùn)行。

中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”（HL-2M）裝置成為中國(guó)聚變界的“明日之星”，在“逐日”征程上，期待它持續(xù)不斷地刷新中國(guó)可控核聚變研究裝置一個(gè)又一個(gè)紀(jì)錄，創(chuàng)造更多令世人矚目的成果。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃是目前世界上僅次于國(guó)際空間站的又一個(gè)國(guó)際大科學(xué)工程計(jì)劃，由歐盟、中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、印度、日本和韓國(guó)聯(lián)合建設(shè)，共耗資200億歐元（約合人民幣1640億元）。

中國(guó)于2006年正式簽約加入該計(jì)劃，并參與多個(gè)部件（包括核心部件）的制造以及其他方面的工作。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃承載著人類和平利用核聚變能的美好愿望，由它帶來(lái)的能量以及其他可再生能源將是“地球的奇跡”。

（責(zé)任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游）

國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆內(nèi)部示意圖