文/蘭順正

2023 年8 月25 日，新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”取得重大科研進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)100 萬(wàn)安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行，再次刷新中國(guó)磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄，此次成功不但是中國(guó)核聚變能開(kāi)發(fā)進(jìn)程中的重要里程碑，對(duì)于人類(lèi)長(zhǎng)距離太空旅行也有著不小的意義。

太空旅行的理想動(dòng)力源

自核能被發(fā)現(xiàn)之日起，就一直被視為是航天器最為適合的“心臟”，可以幫助人類(lèi)遨游星?！，F(xiàn)在的太空核動(dòng)力技術(shù)主要包括放射性同位素電源、核反應(yīng)堆電源及核推進(jìn)技術(shù)。放射性同位素電源功率小，通常在幾十瓦到數(shù)百瓦之間，可為執(zhí)行太空探索任務(wù)的航天器及其科學(xué)設(shè)備長(zhǎng)期提供電能和熱能。核反應(yīng)堆電源功率較大，可提供千瓦級(jí)電力，適合于功率需求較大的太空探索任務(wù)和航天器。

而核推進(jìn)分為核熱推進(jìn)和核電推進(jìn)。其中核熱推進(jìn)（即核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)）利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能把工作介質(zhì)（推進(jìn)劑）加熱到很高的溫度，然后將高溫高壓的工作介質(zhì)從噴管高速?lài)姵?，從而產(chǎn)生巨大的推力。核電推進(jìn)（即核電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)）則是把核反應(yīng)堆的熱能轉(zhuǎn)換成電能并把電能提供給電火箭，使推進(jìn)工質(zhì)（如氙）電離并加速，最后成為等離子體狀態(tài)的推進(jìn)工質(zhì)從噴管高速?lài)姵?，產(chǎn)生可達(dá)“牛頓”量級(jí)的較大推力。

核反應(yīng)堆是長(zhǎng)距離核動(dòng)力太空旅行的關(guān)鍵。目前，可控核裂變反應(yīng)堆技術(shù)條件成熟，已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化，其原理是由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成2 個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較小的原子，并在這個(gè)過(guò)程中釋放出巨大能量。核裂變反應(yīng)堆的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件較低，比較容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是反應(yīng)后的核廢料放射性極強(qiáng)并難以處理，安全事故的后果很?chē)?yán)重等。

▲ 我國(guó)的嫦娥四號(hào)月球探測(cè)器就裝有放射性同位素電池

▲ 俄羅斯正在研制的“宙斯號(hào)”核動(dòng)力太空拖船

▲ 在環(huán)流器中進(jìn)行核聚變示意圖

而核聚變反應(yīng)是將2 個(gè)小質(zhì)量的原子聚合成一個(gè)較大的原子，釋放出巨大能量，太陽(yáng)的能量也是源于此。核聚變產(chǎn)生的能量是核裂變的3～4倍，其反應(yīng)原料就是氫的同位元素氘和氚，這兩種元素在海水里面就有很大的存量，可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭。同時(shí)核聚變反應(yīng)不排放碳，也不會(huì)產(chǎn)生任何長(zhǎng)期放射性廢物，對(duì)環(huán)境很友好。而且核聚變更加安全，因?yàn)橐坏┌l(fā)生故障，反應(yīng)就會(huì)自行熄滅，所以是人類(lèi)未來(lái)的理想能源，也是今后大型長(zhǎng)距離飛行航天器的首選“引擎”。

漫長(zhǎng)卻可期的“人造太陽(yáng)”

不過(guò)，雖然核聚變的優(yōu)勢(shì)十分突出，但發(fā)生過(guò)程卻極為困難。由于原子核的結(jié)構(gòu)很堅(jiān)固，想讓兩個(gè)原子結(jié)合就必須突破原子核結(jié)構(gòu)的屏障，因此需要用特別高的速度進(jìn)行碰撞，而產(chǎn)生高速的條件就是需要高溫。以太陽(yáng)為例，它之所以開(kāi)啟核聚變是因?yàn)槠滟|(zhì)量大、引力強(qiáng)，強(qiáng)大的引力進(jìn)而導(dǎo)致壓力大，壓力大則產(chǎn)生了高溫。但地球上并不具備這樣的環(huán)境，所以就需要人工升溫，并且這個(gè)溫度值至少要1 億度以上。而要讓核聚變更好地造福人類(lèi)，必須讓其聚變過(guò)程變得可控（氫彈就是典型的不可控核聚變），降低劇烈程度，達(dá)到能量的逐步可持續(xù)釋放。

▲ 1984 年建成的中國(guó)第一座人造太陽(yáng)裝置“中國(guó)環(huán)流一號(hào)”

研究表明，核聚變的反應(yīng)物在極高溫下會(huì)完全電離，變?yōu)橐粓F(tuán)由裸露原子核和自由電子組成的電離氣體，即等離子體。只有讓這些等離子體運(yùn)動(dòng)起來(lái)，才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)的核聚變反應(yīng)。而約束這些等離子體有3 種方式，太陽(yáng)的核聚變是靠重力約束實(shí)現(xiàn)的，另外兩種就是以高功率激光作為驅(qū)動(dòng)器的慣性約束和磁約束。

▲ 一名技術(shù)人員在美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家點(diǎn)火裝置的前置放大器支持結(jié)構(gòu)內(nèi)

其中，激光慣性約束核聚變使用極其強(qiáng)大的激光器來(lái)產(chǎn)生核聚變，即使用激光以高速率壓縮和加熱含有氫和氚的燃料顆粒，從而產(chǎn)生聚變，猶如用激光引爆一顆顆微型氫彈。如在過(guò)去幾十年，美國(guó)一直嘗試用高能激光轟擊核聚變材料，借助激光產(chǎn)生的高溫高壓實(shí)現(xiàn)核聚變。2022 年12 月5 日，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）將2.05 兆焦的激光聚焦到核聚變材料上，產(chǎn)生了3.15 兆焦的能量，能量增益首次大于1，達(dá)到了“點(diǎn)火”標(biāo)準(zhǔn)。

磁約束核聚變則讓核聚變產(chǎn)生的等離子體置身于有磁場(chǎng)的空間，帶電的原子核與電子在垂直于磁場(chǎng)的方向上不再自由，受到磁場(chǎng)作用力的帶電粒子只能沿著磁場(chǎng)方向做螺旋運(yùn)動(dòng)，這種磁場(chǎng)可以把炙熱的等離子體托舉在空中。20 世紀(jì)50 年代，蘇聯(lián)科學(xué)家提出一種名為“托卡馬克”的環(huán)形磁約束聚變裝置，這是一種形如面包圈的環(huán)流器，依靠等離子體電流和環(huán)形線(xiàn)圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，將極高溫等離子狀態(tài)的聚變物質(zhì)約束在環(huán)形容器內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)。

而可控核聚變同樣是中國(guó)核能發(fā)展“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略體系的重要組成部分，是解決國(guó)家能源需求、助推“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、促進(jìn)能源新體系構(gòu)建和保障國(guó)家能源安全的關(guān)鍵科技變量。

據(jù)悉，此次運(yùn)行的是磁約束核聚變中的高約束模式，這是一種典型的先進(jìn)運(yùn)行模式，被選為正在建造的國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆（ITER）的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式，能夠有效提升等離子體整體約束性能，提高未來(lái)聚變堆的經(jīng)濟(jì)性，相較于普通的運(yùn)行模式，其等離子體綜合參數(shù)可升高數(shù)倍。

同時(shí)，此次實(shí)驗(yàn)還突破了等離子體大電流高約束模式運(yùn)行控制、高功率加熱系統(tǒng)注入耦合、先進(jìn)偏濾器位形控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，標(biāo)志著中國(guó)磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運(yùn)行邁出重要一步。報(bào)道指出，未來(lái)在此基礎(chǔ)上，新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”團(tuán)隊(duì)，將進(jìn)一步發(fā)展高功率加熱和電流驅(qū)動(dòng)、等離子體先進(jìn)運(yùn)行控制等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)堆芯級(jí)等離子體運(yùn)行，研究前沿聚變物理，為中國(guó)開(kāi)展聚變?nèi)紵龑?shí)驗(yàn)、自主建造聚變堆奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

雖然現(xiàn)在距離可控核聚變實(shí)用還有很長(zhǎng)的路要走，但是中國(guó)此次所取得的成果無(wú)疑讓全世界都看到了未來(lái)的希望。而可控核聚變技術(shù)的進(jìn)步不但可以幫助人類(lèi)擺脫能源危機(jī)，也必將在人類(lèi)探索宇宙方面發(fā)揮巨大的作用。

▲ “托卡馬克”裝置

▲ 建設(shè)中的國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆

▲ “中國(guó)環(huán)流三號(hào)”100 萬(wàn)安培等離子體運(yùn)行實(shí)拍畫(huà)面