新一代“人造太陽”又迎突破，離核聚變點火更近一步

　　提高三乘積，讓可控核聚變走向現實

　　◎實習(xi) 記者 都 芃

　　依托現有核科技工業(ye) 體(ti) 係，凝聚核工程領域具有專(zhuan) 業(ye) 經驗和技術基礎的相關(guan) 研究單位和企業(ye) ，逐步搭建聚變能的技術開發體(ti) 係和工業(ye) 體(ti) 係，集中力量開展核聚變工程和技術攻關(guan) ，再經過三十年左右的時間，也就是到2050年左右，人類將能利用核聚變能源。

　　段旭如

　　中核集團核聚變堆技術領域首席專(zhuan) 家

　　核聚變，是一種核反應的形式，即輕原子核(例如氘和氚)結合成較重原子核(例如氦)時放出巨大能量的過程。在不加約束的情況下，核聚變往往是劇烈而不可控的。長期以來，實現可控核聚變，為(wei) 人類的發展提供源源不斷的能源是人們(men) 的願景。核聚變點火作為(wei) 實現可控核聚變的關(guan) 鍵步驟，是實現可控核聚變的前提和基礎。如今，實現核聚變點火這一目標，正在逐漸走向現實。

　　近日，中核集團核工業(ye) 西南物理研究院傳(chuan) 來捷報，我國新一代“人造太陽”(HL-2M)等離子體(ti) 電流首次突破100萬(wan) 安培(1兆安)。

　　100萬(wan) 安培電流是個(ge) 什麽(me) 概念？有怎樣的關(guan) 鍵意義(yi) ？專(zhuan) 家指出，達到100萬(wan) 安培這個(ge) 數字，標誌著我國“人造太陽”向著核聚變點火邁出了重要一步。

　　三大關(guan) 鍵參數，實現聚變點火必要條件

　　如果說通過分裂重原子核來產(chan) 生能源的核裂變，是將原本完整的鏡子打碎，那麽(me) 核聚變可以說恰恰相反，其產(chan) 生能源的方式是將打碎的鏡子複原，通過“破鏡重圓”來釋放能量。

　　中核集團核工業(ye) 西南物理研究院聚變科學所副所長(主持工作)、HL-2M實驗負責人鍾武律向科技日報記者介紹，核聚變產(chan) 生能源的基本原理是由於(yu) 氫的同位素——輕原子核氘和氚結合成較重的原子核氦時會(hui) 釋放巨大能量。太陽內(nei) 部便每時每刻都在發生著類似的核聚變反應，從(cong) 而源源不斷地發出光和熱。

　　而想要兩(liang) 個(ge) 原本獨立的原子核克服各種阻礙合為(wei) 一體(ti) ，就需要溫度、密度、約束時間等參數滿足極為(wei) 苛刻的條件。否則反應無法維持，核聚變就不會(hui) 發生。

　　英國物理學家勞森在上世紀50年代對核聚變反應堆的能量平衡問題進行深入研究後，提出了核聚變研究中著名的“勞森判據”，即當核聚變反應的能量產(chan) 出率大於(yu) 能量損耗率，並且有足夠能量使核聚變反應穩定持續時，通常意味著核聚變點火成功。利用具體(ti) 的計算公式，目前可以將勞森判據直觀地轉換為(wei) 對溫度、密度、約束時間這三個(ge) 參數的乘積，即所謂聚變三乘積大小的判斷。

　　鍾武律表示，衡量核聚變裝置及核聚變研究的水平，主要看三個(ge) 參數：燃料的離子溫度、等離子體(ti) 密度和能量約束時間，三者缺一不可。

　　而在磁約束核聚變裝置中，上述三個(ge) 參數中的等離子體(ti) 密度和能量約束時間恰恰與(yu) 等離子體(ti) 電流成正比。“等離子體(ti) 電流越高，等離子體(ti) 密度和能量約束時間這兩(liang) 個(ge) 參數就越高，就可以更加接近點火要求的聚變三乘積。”鍾武律說，“因此，如果根據聚變三乘積的結果倒推，未來托卡馬克要實現穩定運行，等離子體(ti) 電流必須超過1兆安。”

　　此外，鍾武律還介紹，聚變堆的聚變功率與(yu) 等離子體(ti) 電流的平方成正比，等離子體(ti) 電流若提升10倍，聚變功率便可提升100倍。

　　多種先進技術，不斷刷新各項國內(nei) 國際紀錄

　　“勞森判據”已經指出實現核聚變點火需要提高的三個(ge) 參數，實現核聚變點火似乎已經變成一場“開卷”考試。可是答案雖已寫(xie) 明，“解題”過程卻仍需不斷探索。圍繞著提高聚變三乘積、實現核聚變點火這一最終目標，多年來，我國的托卡馬克裝置不斷刷新著新的紀錄。

　　托卡馬克裝置通常有著大體(ti) 相似的結構，鍾武律向記者介紹，托卡馬克裝置的中央是一個(ge) 環形真空室，裏麵注滿氣體(ti) ，外麵纏繞著線圈。線圈通電後，會(hui) 在托卡馬克內(nei) 部產(chan) 生巨大的螺旋型磁場，裏麵的氣體(ti) 將被電離成等離子體(ti) 並形成等離子體(ti) 電流。當等離子體(ti) 被加熱到極高溫度後，便可實現核聚變。

　　在此次新一代“人造太陽”HL-2M實現等離子電流1兆安突破前，我國的另一個(ge) “人造太陽”，由中國科學院等離子體(ti) 所研製的被稱為(wei) 東(dong) 方超環的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)也頻頻進入大眾(zhong) 視野。它也是我國自主設計的世界首個(ge) 非圓截麵全超導托卡馬克。

　　在突破聚變三乘積的道路上，常規的托卡馬克裝置存在著一定的固有缺陷。目前，世界上的多數托卡馬克裝置主要以實驗研究為(wei) 目的，要不斷對約束等離子體(ti) 的磁場的形態和性質進行深入研究。這就要求其約束磁場能夠長時間穩定運行。雖然磁場可以約束上億(yi) 攝氏度的等離子體(ti) ，但是其本身卻並不穩定。維持強大的約束磁場，需要非常大的電流。但是普通線圈在高強度、長時間通電後難免會(hui) 大量發熱。如果僅(jin) 從(cong) 這一角度來看，常規托卡馬克在長時間穩定運行方麵存在著諸多挑戰。

　　為(wei) 了解決(jue) 常規托卡馬克的瓶頸，超導技術便被引入到了托卡馬克建設中。超導材料由於(yu) 具有顯著的零電阻特性，幾乎不產(chan) 生電阻熱，可以通過強大的電流穩定地產(chan) 生強磁場，因此被認為(wei) 是未來托卡馬克裝置的重要組成部分。

　　作為(wei) 全球首個(ge) 全超導托卡馬克，EAST的中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導磁體(ti) ，外側(ce) 則由超導材料製成的線圈圍成。得益於(yu) 超導材料的零電阻等特性，EAST在運行過程中可以大大節省供電功率，並且長時間維持磁體(ti) 工作。因此，EAST在能量約束時間這一參數上具有格外強大的優(you) 勢。

　　同時，借助電子回旋與(yu) 低雜波協同加熱等技術，EAST在建成後先後成功突破等離子體(ti) 中心電子溫度1億(yi) 攝氏度、可重複的1.2億(yi) 攝氏度101秒和1.6億(yi) 攝氏度20秒等離子體(ti) 運行、1056秒的長脈衝(chong) 高參數等離子體(ti) 運行等多項國內(nei) 、國際紀錄。

　　作為(wei) 我國最新一代托卡馬克裝置，HL-2M采用的是常規磁體(ti) ，應用了先進的結構與(yu) 控製方式。鍾武律表示，HL-2M的等離子體(ti) 體(ti) 積是國內(nei) 同類裝置的2倍以上，在未來，其等離子體(ti) 電流能力將提高到2.5兆安以上。

　　一個(ge) 宏偉(wei) 目標，力圖2050年實現能源化利用

　　今年兩(liang) 會(hui) 期間，中核集團核聚變堆技術領域首席專(zhuan) 家、國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃科技谘詢委員會(hui) 副主席段旭如表示，若依托現有核科技工業(ye) 體(ti) 係，凝聚核工程領域具有專(zhuan) 業(ye) 經驗和技術基礎的相關(guan) 研究單位和企業(ye) ，逐步搭建聚變能的技術開發體(ti) 係和工業(ye) 體(ti) 係，集中力量開展核聚變工程和技術攻關(guan) ，再經過三十年左右的時間，也就是到2050年左右，人類將能利用核聚變能源。

　　目前在磁約束核聚變領域，集結了全球多個(ge) 主要經濟體(ti) 的“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”最為(wei) 受人矚目。該計劃的目標是建設能產(chan) 生大規模核聚變反應的托卡馬克裝置。

　　段旭如表示，我國自2006年正式參加ITER計劃以來，承擔了ITER裝置重要關(guan) 鍵部件的製造任務。我國多個(ge) 托卡馬克裝置在吸收ITER先進技術的同時，也為(wei) ITER計劃提供了寶貴的研究參考。利用ITER計劃這一良好國際合作平台，我國的聚變研究得到了快速發展，磁約束核聚變研究從(cong) 過去的跟跑步入了並跑階段，部分技術達到國際領先水平。

　　此次實現突破的HL-2M裝置接下來也將繼續與(yu) ITER計劃展開合作，開展相關(guan) 物理實驗，力爭(zheng) 掌握或突破聚變堆工程相關(guan) 技術，如高功率輔助加熱和電流驅動、偏濾器排灰排熱、聚變產(chan) 物診斷等關(guan) 鍵技術。

　　鍾武律表示，HL-2M不僅(jin) 可以實現高參數的等離子放電，其離子溫度也可達到1.5億(yi) 攝氏度，實現與(yu) 聚變堆相關(guan) 的高密度、高比壓、高自舉(ju) 電流等離子體(ti) 運行。在未來，HL-2M將繼續有條不紊地開展後續實驗工作，衝(chong) 擊更高的等離子體(ti) 電流和離子溫度等參數，全麵提升聚變三乘積，實現我國“人造太陽”研究的新飛躍。