中國環(huán)流三號建成后取得的主要成果
資料來源：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所
圖三
圖四
地球上的石油、煤等化石能源耗盡后，人類靠什么生活？一種被稱為“托卡馬克”的“人造太陽”實驗裝置，承載起人類邁向能源自由的夢想。近期，我國托卡馬克核聚變實驗裝置取得重大成果：新一代“人造太陽”中國環(huán)流三號（HL—3）實現(xiàn)等離子體電流1.6兆安，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，等離子體電流、聚變“三乘積”等核心參數(shù)再上新臺階；東方超環(huán)（EAST）首次實現(xiàn)1066秒長脈沖高約束模等離子體運行，再次創(chuàng)造了托卡馬克裝置新的世界紀(jì)錄。本期“瞰前沿”聚焦國內(nèi)外“人造太陽”的最新研究進(jìn)展，看看人類距離可控核聚變還有多遠(yuǎn)。
——編 者
“一團(tuán)耀眼的白光從山脈盡頭升起……”在科幻小說《三體》中，太空飛船核聚變發(fā)動機(jī)發(fā)出的光芒如同太陽。利用核聚變等技術(shù)，人類走出地球家園，走向廣袤宇宙。
萬物生長靠太陽。太陽之所以能發(fā)光發(fā)熱，是因為內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。核聚變能具有資源豐富、環(huán)境友好、固有安全等突出優(yōu)勢，是人類理想的未來能源。如果能造一個“太陽”來發(fā)電，人類有望實現(xiàn)能源自由。
2024年，科技部、工業(yè)和信息化部、國務(wù)院國資委等七部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》，指出加強(qiáng)推進(jìn)以核聚變?yōu)榇淼奈磥砟茉搓P(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。實現(xiàn)聚變能源應(yīng)用是我國核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略的最終目標(biāo)。
可控核聚變作為典型的前沿性、顛覆性技術(shù)，未來一旦實現(xiàn)應(yīng)用，將徹底改變世界能源格局，保障我國未來能源安全。
“人造太陽”從“核”而來
用1升水“釋放”燃燒300升汽油的能量
核聚變是將較輕的原子核聚合反應(yīng)而生成較重的原子核，并釋放出巨大能量。
1952年，世界上第一顆氫彈成功試爆，讓人類認(rèn)識到氘氚核聚變反應(yīng)的巨大能量。但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應(yīng)，不能提供穩(wěn)定的能源輸出。從此，人類便致力于在地球上實現(xiàn)人工控制下的核聚變反應(yīng)（即可控核聚變），希望利用太陽發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類鋪展能源自由之路。因此，人們也將可控核聚變研究的實驗裝置稱為“人造太陽”。
氘氚聚變作為能源，具有明顯優(yōu)勢。首先，氘氚聚變所需燃料在地球上的儲量極為豐富。氘大量存在于水中，每升水可提取出約0.035克氘，通過聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量；氚可通過中子轟擊鋰來制備，在地殼、鹽湖和海水中，鋰大量存在。其次，氘氚聚變反應(yīng)不產(chǎn)生有害氣體，無高放射性活化物，對環(huán)境友好。
然而，“人造太陽”維持自身燃燒的條件非?？量?。英國科學(xué)家勞遜在20世紀(jì)50年代研究了這一條件的門檻——也被稱為聚變點火條件。據(jù)計算，實現(xiàn)可觀的氘氚聚變等離子體離子溫度要大于1億攝氏度，等離子體密度、溫度和等離子體能量約束時間的乘積（“三乘積”）大于5×1021千電子伏特·秒/立方米。
數(shù)十年來，國際上探索了眾多核聚變路線。目前，實現(xiàn)核聚變反應(yīng)主要有引力約束、磁約束、慣性約束3種方式。太陽因本身質(zhì)量巨大，可通過巨大引力，在極端高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生引力約束核聚變反應(yīng)。而在地球上，實現(xiàn)可控核聚變主要有磁約束核聚變、激光慣性約束核聚變兩種方式。激光慣性約束核聚變可以采用激光作為驅(qū)動器壓縮氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等離子體的慣性約束時間內(nèi)實現(xiàn)核聚變點火燃燒。采用強(qiáng)磁場約束等離子體的方法把核聚變反應(yīng)物質(zhì)控制在“磁籠子”里面，就是磁約束核聚變。
道路依舊充滿挑戰(zhàn)
“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關(guān)鍵
在眾多技術(shù)途徑中，托卡馬克是通過等離子體電流和外部磁體線圈產(chǎn)生的螺旋磁場約束聚變?nèi)剂想x子，被認(rèn)為有望率先實現(xiàn)聚變能源的應(yīng)用，也是目前全球研發(fā)投入最大、最接近核聚變點火條件、技術(shù)發(fā)展最成熟的途徑。
托卡馬克最初是由蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的，是一種利用磁場約束帶電粒子來實現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。當(dāng)前，世界上建成并運行了超過50個不同規(guī)模的托卡馬克裝置，不同托卡馬克裝置的幾何尺寸、等離子體約束性能等也各有不同。目前中國運行的托卡馬克主要包括常規(guī)托卡馬克和球形托卡馬克。
自托卡馬克開展實驗以來，等離子體綜合參數(shù)不斷提升，“三乘積”提升了幾個數(shù)量級，逐漸趨近點火條件。歐洲的JET與美國的TFTR裝置上獲得氘氚聚變功率輸出，揭示了托卡馬克磁約束可控核聚變路線的原理可行性。2021—2023年，JET創(chuàng)造了69兆焦耳聚變能輸出的世界紀(jì)錄。
托卡馬克磁約束核聚變研究雖然不斷取得突破，但前方的道路依舊充滿挑戰(zhàn)。堆芯等離子體“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關(guān)鍵，實現(xiàn)該目標(biāo)主要有五大類問題需要解決。
一是等離子體非感應(yīng)電流驅(qū)動問題。等離子體電流由歐姆驅(qū)動電流和非感應(yīng)驅(qū)動的電流組成。歐姆驅(qū)動電流是基于變壓器原理，通過等離子體外部線圈電流變化感應(yīng)而來的。對于非感應(yīng)電流驅(qū)動，一部分可以通過外部的高功率微波和中性粒子束注入來驅(qū)動，另一部分則來自等離子體自身壓強(qiáng)梯度產(chǎn)生的“自舉電流”，實驗上希望等離子體自己提供的這部分電流份額越高越好。
二是加料與排灰問題。聚變等離子體被約束在真空室內(nèi)，形成一種類似“甜甜圈”的形狀。在“甜甜圈”環(huán)向軸中心位置附近的等離子體密度和溫度最高，越往邊界參數(shù)越低。傳統(tǒng)加料方式注入的中性氣體氘和氚，難以深入等離子體芯部，其燃燒效率難以提高。同時堆芯等離子體聚變反應(yīng)，會產(chǎn)生大量的氦，也被稱為氦灰。氦灰容易堆積在芯部，導(dǎo)致等離子體性能退化，甚至引發(fā)等離子體熄滅。
三是等離子體與材料相互作用問題。聚變堆運行期間，一些攜帶高能量的粒子可能突破磁場的約束，撞擊在聚變裝置的內(nèi)部部件上，對這些部件材料造成威脅。同時，如果聚變堆運行期間發(fā)生的粒子與材料相互作用在等離子體邊緣產(chǎn)生大量雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會稀釋燃料離子的濃度，使聚變等離子體性能顯著下降，聚變功率難以穩(wěn)定維持。
四是阿爾法粒子物理問題。阿爾法粒子是氘氚聚變的帶電粒子產(chǎn)物氦（攜帶3.5 百萬電子伏特能量）的別稱。目前，由于長期缺乏合適的實驗平臺開展相關(guān)實驗，燃燒等離子體阿爾法粒子物理研究深度還不夠，相關(guān)的科學(xué)問題還需要在氘氚聚變實驗裝置上進(jìn)一步驗證。
五是大尺度磁流體不穩(wěn)定性和大破裂控制問題。聚變等離子體中還存在大量的不穩(wěn)定性，這些“不穩(wěn)定性因素”會在不同程度上破壞核聚變反應(yīng)的安全穩(wěn)定運行。
探索交叉領(lǐng)域
人工智能嶄露頭角
近年來，為開展“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”問題的研究，國際上各大裝置實驗向著更高參數(shù)邁進(jìn)。我國的中國環(huán)流系列、東方超環(huán)等可控核聚變裝置運行不斷取得突破，如國內(nèi)當(dāng)前規(guī)模最大、參數(shù)能力最高的中國環(huán)流三號首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流高約束模運行，創(chuàng)造我國磁約束聚變裝置運行紀(jì)錄。2023年在歐盟與日本合建的當(dāng)前規(guī)模最大托卡馬克JT—60SA上也實現(xiàn)了100萬安培等離子體放電。2025年1月，東方超環(huán)創(chuàng)造了1066秒的高約束模等離子體運行紀(jì)錄。
近年來，人工智能在可控核聚變研究領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的賦能作用。深度學(xué)習(xí)、擴(kuò)散模型等前沿技術(shù)被應(yīng)用于高精度等離子體模擬程序的加速計算等場景，帶來技術(shù)突破。
2019年，哈佛大學(xué)與普林斯頓等離子體物理實驗室的研究團(tuán)隊，使用在美國運行的DIII—D托卡馬克裝置上訓(xùn)練出的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以超過90%的正確率預(yù)警了JET裝置的破裂事件。2022年，谷歌旗下DeepMind團(tuán)隊與瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院合作使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體在TCV托卡馬克上實現(xiàn)了限制器、常規(guī)偏濾器、先進(jìn)偏濾器甚至雙環(huán)等離子體位形的控制。2024年，韓國中央大學(xué)與普林斯頓等離子體物理實驗室的研究團(tuán)隊使用深度學(xué)習(xí)方法，在KSTAR與DIII—D托卡馬克上成功預(yù)測了撕裂模不穩(wěn)定性的增長概率，并結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，在提升等離子體比壓的同時對撕裂模增長概率進(jìn)行控制。
國內(nèi)機(jī)構(gòu)、高校也在聚變與人工智能交叉領(lǐng)域開展了大量探索。中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院將破裂預(yù)測、平衡反演代理模型、邊緣局域模實時識別與控制等人工智能模塊應(yīng)用于核聚變裝置的控制運行，有效解決了部分控制問題。
展望未來，可控核聚變一旦實現(xiàn)應(yīng)用，將為人類提供豐富、清潔的理想能源?？苹弥械奈磥砜萍迹蛟S能在可控核聚變的支撐下成為現(xiàn)實。
（作者為中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所所長）
■鏈接
中國環(huán)流三號
中國環(huán)流三號（圖三）是目前我國規(guī)模最大、參數(shù)最高的托卡馬克裝置，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計、建造和運行，裝置總高8.39米，直徑8米，等離子體離子溫度可達(dá)1.5億攝氏度。
中國環(huán)流三號2020年建成后，多次刷新我國可控核聚變裝置運行新紀(jì)錄。2023年12月，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院與國際熱核聚變實驗堆（ITER）總部簽署協(xié)議，宣布中國環(huán)流三號作為ITER衛(wèi)星裝置面向全球開放。
東方超環(huán)
東方超環(huán)（圖四）是我國自主研發(fā)的世界上首個全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置。該裝置由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所自主設(shè)計、研制，擁有完全知識產(chǎn)權(quán)。
東方超環(huán)基于磁約束核聚變原理工作。近年來，東方超環(huán)在等離子體的參數(shù)如溫度、密度、持續(xù)放電時間上不斷取得突破。東方超環(huán)的建設(shè)和投入運行為世界穩(wěn)態(tài)近堆芯聚變物理和工程研究搭建起一個重要的實驗平臺，使我國成為世界上第一個掌握新一代先進(jìn)全超導(dǎo)托卡馬克技術(shù)的國家。
《 人民日報 》（ 2025年02月08日 06 版）