人造太阳，点亮人类能源梦想

　　来源：人民网人民日报
　　图为科研人员在全超导托卡马克核聚变实验装置真空室工作。
　　图为新一代人造太阳中国环流器二号M装置。
　　图片来源：影像中国
　　万物生长靠太阳。科学家们长期致力于利用太阳发光发热的原理，为人类开发一种源源不断的清洁能源。因此，在地球上以探索清洁能源为目标的受控核聚变研究装置又被称为人造太阳。聚变燃料氘可以从海水中提取，一升海水中的氘发生聚变反应释放的能量相当于燃烧300升汽油。有人甚至说，聚变能一旦实现，人类的文明发展将不再受制于能源。我们可以在寒冷的冬天种植热带水果，全天候不间断地为粮食作物提供光源，星际旅行也将不再是梦想。
　　2020年中央经济工作会议提出：我国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和。能源安全、环境问题和气候变化等问题日益突出，成为21世纪人类社会面临的最严峻挑战之一。核聚变能以其资源丰富、环境友好和固有安全性等优势将成为人类未来的理想能源，是目前认识到的解决人类社会能源与环境问题的终极途径之一，是实现碳中和目标的有效技术方案之一。我国核能发展热堆快堆聚变堆三步走战略中，将聚变能作为解决能源问题的终极目标。
　　人造太阳从核而来
　　众所周知，原子能的利用包括核裂变和核聚变。核裂变是将较重的原子核分裂为较轻的原子核并释放出能量。而核聚变则是将较轻的原子核聚合反应而生成较重的原子核，并释放出巨大能量。太阳等恒星之所以发光发热，正是因为其内部持续不断地进行着轻核间的核聚变反应。人类在上世纪50年代初成功试爆了第一颗氢弹，但氢弹爆炸是不可控的核聚变反应，不能作为提供能源的手段。自那以后，人类便致力于受控核聚变研究。
　　受控核聚变实现的方式主要有两种磁约束核聚变和惯性约束核聚变。其中磁约束核聚变是用强磁场来约束高温核聚变燃料。实现受控核聚变的条件十分苛刻，一是燃料需达到极高的温度（1亿摄氏度以上），但极端高温下的燃料无法用普通固体容器来盛装，为此，科学家们提出用强磁场的方式来约束处于极高温下的聚变燃料；二是具有足够的密度，从而提高燃料原子核之间碰撞而发生核聚变反应的概率；三是具备足够长的能量约束时间，将高温高密度的核反应条件维持足够长的时间，才能使核聚变反应得以持续进行。也就是说，燃料离子温度、密度、能量约束时间，这三个参数的乘积（聚变三乘积）必须达到一定值，才能满足聚变点火条件，实现受控核聚变。因此，核聚变原理虽然简单，但聚变能开发却面临一系列科学技术挑战。
　　国际磁约束受控核聚变研究始于上世纪50年代，经历了从最初的少数几个核大国进行秘密研究、技术解密，再到世界范围内开放合作、共同参与的研究阶段。在研究进程中，也先后探索了箍缩、磁镜、仿星器、托卡马克等众多途径，目标都围绕如何提高等离子体的关键参数，最终满足受控核聚变反应的条件。从上世纪70年代开始，托卡马克途径逐渐显示出独特优势，成为磁约束核聚变研究的主流途径。国际磁约束聚变界通过几十年努力，在核聚变研究领域取得了重大进展，装置的聚变三乘积提升了几个数量级，但要实现受控核聚变，关键技术上仍存在很大挑战，需凝聚全世界之力共同攻克。1985年，国际热核聚变实验堆（ITER）计划提出，其目的就是希望通过国际合作，建造一座核聚变反应堆，以验证核聚变能和平利用的科学可行性和工程技术可行性。
　　2006年11月，中国、欧盟等七方签署启动国际热核聚变实验堆计划协定。目前，该计划是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学技术成果，解决大量技术难题。首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，是实现人造太阳能源梦想的关键一步，因此备受各国政府与科技界重视和支持。
　　我国核聚变技术取得一系列突破
　　我国的受控核聚变研究几乎与国际同步。1956年，正值我国制定十二年科技规划之际，钱三强、李正武等科学家倡议在我国开展可控热核反应研究，以探索核聚变能的和平利用。1965年，我国成立聚变能开发专业研究基地，并于1984年建成我国核聚变领域第一座大科学装置中国环流器一号托卡马克装置。它是我国核聚变研究史上的一个重要里程碑，其成功建造与运行，为我国自主设计、建造、运行核聚变实验研究装置积累了丰富经验，培养了人才队伍。
　　自2008年我国科学技术部成立国际热核聚变实验堆核聚变中心以来，我国陆续承担了18个采购包的制造任务，共有上百家科研院所、企业直接参与。在核聚变中心的领导和组织协调下，核工业西南物理研究院及中科院等离子体物理研究所等单位，充分发挥在聚变实验研究装置和聚变堆关键技术研发方面的优势，联合国内相关院校及企业展开了技术攻关。
　　我国承担的国际热核聚变实验堆采购包任务进展顺利，取得了一系列技术突破。比如，我国研发的第一壁采购包半原型部件在2016年成功通过高热负荷测试，在世界上率先通过认证，同时也带动了我国其他相关领域技术发展。2019年9月，中核集团牵头的中法联合体与国际热核聚变实验堆组织签订了ITER主机安装一号合同，这是有史以来中国企业在欧洲市场中竞标的最大核能工程项目合同。该合同的签订标志着我国核聚变技术与人才积累、核电建设能力获得国际认可。
　　参与国际热核聚变实验堆计划10多年来，我国在聚变领域的科研实力大幅提升，在聚变等离子体物理、聚变堆材料、加热与控制技术等领域的研发能力和技术水平取得长足进步，中国核聚变技术由跟跑转向并跑，部分技术实现领跑。
　　此外，中国在托卡马克实验和物理研究方面也取得了一系列创新性成果，多个装置为前沿聚变物理研究提供了重要平台。比如，中国环流器二号A装置实现由低约束模式到高约束模式运行，使我国跻身成功实现高约束模式运行的少数国家之一；东方超环装置率先实现了百秒量级高约束模式运行。
　　力争本世纪中叶实现聚变能应用
　　国际热核聚变实验堆计划是聚变能发展中的关键一步，也是各国聚变能发展路线图中的关键设施。计划一旦达到目标，人类将在本世纪中叶实现聚变能的应用。
　　当前，相关国家正集中力量完成该计划采购包等任务并保障资源，确保国际热核聚变实验堆的成功建设与运行。一方面利用现有不同规模的磁约束聚变研究装置，开展聚变等离子体物理与相关技术研究，尤其是与ITER计划相关的先行物理实验及有关技术研发。2020年，我国新一代人造太阳中国环流器二号M装置在四川成都建成，它是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，将为我国深度参与国际热核聚变实验堆计划及未来自主设计、建造聚变堆提供重要技术支撑。
　　另一方面，积极谋划并开展未来聚变堆关键技术的研发。当前聚变能研发已逐步进入聚变堆核工程可行性阶段。在参加国际热核聚变实验堆计划同时，我国聚变研究应以未来建堆所涉及的前沿科学技术为攻关方向，开展聚变堆总体设计、聚变堆芯关键技术等研发，发展聚变能开发核心技术，加强国内与ITER计划相关的聚变能技术研究和创新。培养一支稳定的高水平核聚变能研发队伍，培育和带动一批企业全面参与聚变堆关键技术攻关与部件设计制造，建设和完善国家聚变能研发体系，建立国际一流研究平台。
　　我们将发扬协同创新精神，夯实自立自强根基，实现人造太阳在本世纪中叶闪耀世界的能源梦想。
　　（作者为中核集团核聚变堆技术首席专家）
　　推荐读物：
　　《逐日之路：人造太阳点亮能源梦想》：马明义著；科学出版社出版。
　　《聚变情怀终不改李正武传》：朱宇光等著；上海交通大学出版社、中国科学技术出版社出版。
　　《宇宙能源聚变》：加里麦克拉肯、彼得斯托特著；原子能出版社出版。
　　制图：赵偲汝
　　《人民日报》（2021年09月14日20版）