近日，一則新聞引起了媒體的廣泛關(guān)注：我國(guó)聚變科學(xué)裝置“人造太陽(yáng)”取得重大突破，等離子體中心溫度首次達(dá)到一億攝氏度。

這一億度可不是簡(jiǎn)單的一個(gè)數(shù)字，它是在多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)接近聚變電站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式所需要的物理?xiàng)l件的環(huán)境中首次實(shí)現(xiàn)的，也就意味著我們第一次可以更加真實(shí)的模擬未來(lái)商用聚變堆，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試是否會(huì)出現(xiàn)其他未知的物理或者工程問(wèn)題，為人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用核聚變清潔能源奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

看到這個(gè)消息，想必大多數(shù)非聚變領(lǐng)域的吃瓜群眾會(huì)為國(guó)家感到自豪之余更會(huì)一頭霧水：聚變！什么意思？“人造太陽(yáng)”是個(gè)啥？等離子體？不懂！一億攝氏度，溫度挺高的吧···自認(rèn)為是聚變界的一員的我，覺(jué)得有責(zé)任而且很有必要給大家細(xì)致入微的回答上述問(wèn)題。所以跟著我，走進(jìn)這個(gè)奇妙的聚變世界。

首先呢對(duì)聚變世界進(jìn)行一下分類(lèi)：自然界的聚變?nèi)?，包括大家所熟知的太?yáng)以及其他恒星；人類(lèi)社會(huì)的聚變?nèi)?，又可分為邪惡的即以氫彈為代表的武器圈和正義的以聚變發(fā)電為重點(diǎn)的能源圈。

這三個(gè)圈有個(gè)最為顯著的共性就是都是用聚變的方式釋放能量，聚變呢其實(shí)就是簡(jiǎn)單的將兩個(gè)很輕的原子核比如說(shuō)氫核擠在一塊然后變身成為氦，神奇的是生成的新的原子核的質(zhì)量比倆氫核質(zhì)量加起來(lái)要小，質(zhì)量去哪了呢？偉大的愛(ài)因斯坦解釋說(shuō)，質(zhì)量是可以轉(zhuǎn)化為能量滴，要是有興趣的話可以關(guān)注一下他的質(zhì)能方程。

所以說(shuō)，聚變就釋放能量啦，而且這能量很大，所以太陽(yáng)才會(huì)溫度那么高，所以氫彈爆炸時(shí)會(huì)有人看到羅布泊上升起了第二個(gè)太陽(yáng)。這么大的能量要是可以為人類(lèi)所用，是不是就可以登上人類(lèi)巔峰了，從此吃喝不愁呢？是的，沒(méi)毛病。接下來(lái)就給大家分析為啥我們需要開(kāi)發(fā)這種能源——以聚變的形式來(lái)發(fā)電。

圖1 兩個(gè)原子核碰撞發(fā)生聚變

眾所周知，我們現(xiàn)在處在一個(gè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)代，而這完全得益于廣泛使用的化石能源，如石油、天然氣、煤炭等，可這些的儲(chǔ)量是有限的，據(jù)估算，以現(xiàn)在的消耗速度，石油還可以使用50年，天然氣可以用60年，煤炭可以用200年！要是能源消耗完了，工廠無(wú)法工作，商品無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)，科技無(wú)法進(jìn)步，那么我們就可以開(kāi)開(kāi)心心的體驗(yàn)古人的生活了，更加可怕的是，現(xiàn)在的多數(shù)中東戰(zhàn)爭(zhēng)都是由于化石能源的重新分配引起的，要是能源危機(jī)爆發(fā)的話，后果是什么，世界大戰(zhàn)？不敢想象……

這個(gè)時(shí)候，大概會(huì)有人問(wèn)，不是還有風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等等新能源嗎？那問(wèn)題是，沒(méi)有風(fēng)怎么辦，晚上怎么辦，離水源很遠(yuǎn)怎么辦，這些新能源功力太低，能量不大，受限制明顯，難堪大用。所以我們需要找一個(gè)原料充裕，能量夠高的能源解決此困境。聚變能，開(kāi)始登上歷史舞臺(tái)。

圖2 日益枯竭的化石能源

說(shuō)起聚變能，其實(shí)有一段很有趣的歷史，就是在20世紀(jì)五六十年代關(guān)于使用聚變能的方式的討論，有的科學(xué)家提議，氫彈既然可以釋放那么大能量，我們可以用它來(lái)改造地形啊，比如開(kāi)第二條蘇伊士運(yùn)河，拓寬巴拿馬運(yùn)河，有的科學(xué)家設(shè)想，可以用大量的環(huán)繞太陽(yáng)的衛(wèi)星組成一個(gè)球體直接獲得太陽(yáng)的聚變能，這也就是科幻界著名的設(shè)計(jì)“戴森球”?？茖W(xué)家的腦洞的確很大，但可惜這兩種方式一個(gè)假借利用氫彈造福人類(lèi)其實(shí)目的是軍備競(jìng)賽，另一個(gè)終究還是幻想。那怎么辦，人類(lèi)沒(méi)救了嗎？不，腦洞大開(kāi)的科學(xué)家們產(chǎn)生了大膽的想法：在地球上仿造一個(gè)太陽(yáng)！

圖3 可控核聚變需要類(lèi)似太陽(yáng)的環(huán)境

之前說(shuō)過(guò)，聚變能可以解決人類(lèi)的能源問(wèn)題，原因有二：首先聚變可以產(chǎn)生很大的能量，不信可以看看太陽(yáng)；其次，原料問(wèn)題，地球上目前可以用來(lái)進(jìn)行核聚變的原料是氫的同位素（氘、氚），氘在海水中儲(chǔ)量極為豐富，有45萬(wàn)億噸，而且一升海水中的氘聚變后可以提供300升汽油燃燒釋放的能量，所以地球上蘊(yùn)藏的聚變能夠人類(lèi)使用幾十億到幾百億年。是不是從此吃喝不愁，而且可以實(shí)現(xiàn)人類(lèi)永久的和平，想想都很激動(dòng)呢。那就趕緊種太陽(yáng)啊，等什么呢，怎么現(xiàn)在都沒(méi)聽(tīng)說(shuō)可以聚變發(fā)電了？

真正美好的東西，總不會(huì)讓人那么輕易地得到。

核聚變之所以難，完全是因?yàn)樗蟮臈l件很是苛刻，太陽(yáng)可以輕易的發(fā)生聚變是因?yàn)槠浜诵臏囟雀哌_(dá)1500萬(wàn)攝氏度而且有很高的密度，氫彈則是依賴(lài)核心裝載的原子彈提供聚變點(diǎn)火的能量。所以我們?cè)诘厍蛏戏N太陽(yáng)，也就是實(shí)現(xiàn)可以被我們控制的核聚變（氫彈不可控），經(jīng)過(guò)計(jì)算，需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)類(lèi)似于太陽(yáng)的環(huán)境，一個(gè)需要使原料達(dá)到1億攝氏度的環(huán)境。比太陽(yáng)最高的溫度還要高10倍！而且當(dāng)氫元素被加熱到這么高的溫度時(shí)，他的狀態(tài)就會(huì)由氣態(tài)變成等離子體態(tài)，這種狀態(tài)類(lèi)似于氣體，但是呢內(nèi)部帶電。

我們要建造的“人造太陽(yáng)”就好比一個(gè)燒煤的爐膛，首先需要有耐高溫的爐子可以裝燃燒的煤，然后需要達(dá)到煤的燃燒溫度否則燒不起來(lái)，最終需要的是要保證煤可以一直保持燃燒的溫度否則燒一會(huì)就自己熄滅了。

所以問(wèn)題就是，我們用什么來(lái)裝這些1億度的等離子體，我們能不能很好的理解等離子體的行為保證它可以穩(wěn)定的燃燒，畢竟這種狀態(tài)科學(xué)家此前并沒(méi)有研究太多。這可真的是一個(gè)全新的領(lǐng)域，路真的很難走，科學(xué)家們也一直在努力提出新的想法新的思路，很多不同種類(lèi)的聚變裝置也建立了起來(lái)。為了給大家以信心，接下來(lái)就介紹一下60年來(lái)聚變界的進(jìn)步與成果。

圖4 氣態(tài)轉(zhuǎn)化為等離子體態(tài)

首先是我們用什么來(lái)“盛裝”這些等離子體，近一億度的溫度任何材料都承受不了，但因?yàn)榈入x子體有個(gè)特點(diǎn)就是帶電，既然帶電，科學(xué)家們就想到可不可以用一個(gè)磁場(chǎng)去裝，然后“磁約束”聚變的概念就出爐了，也就是用很強(qiáng)的磁場(chǎng)做成籠子，讓這些高溫燃料遠(yuǎn)離我們的“爐壁”。圍繞著“磁約束”聚變裝置的設(shè)計(jì)概念有很多，限于篇幅，今天只重點(diǎn)介紹在國(guó)際主流的裝置——托卡馬克上實(shí)現(xiàn)的突破。

圖5 “磁籠”盛裝等離子體

突破一：從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，國(guó)際上開(kāi)始進(jìn)行托卡馬克裝置的研究工作，經(jīng)過(guò)不斷地努力，終于在20年后，歐洲的聚變裝置JET第一次實(shí)現(xiàn)了聚變功率16MW，同時(shí)輸出功率超過(guò)輸入功率的歷史性突破，這無(wú)異于給所有研究聚變的科學(xué)家一定心丸，因?yàn)榻K于從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)托卡馬克實(shí)現(xiàn)可控聚變是有科學(xué)可行性的。

但是，不幸的是，這個(gè)過(guò)程只持續(xù)了幾秒鐘，也就是說(shuō)，不能長(zhǎng)時(shí)間放電，還是不能商用。為什么呢？就是因?yàn)槲覄偛盘岬降模倚枰谱饕粋€(gè)“磁籠”裝聚變?nèi)剂?，可是這些磁場(chǎng)是要用外部很大的導(dǎo)線電流產(chǎn)生，導(dǎo)線有電阻，就會(huì)產(chǎn)生熱量（電熱爐的原理），所以導(dǎo)線承受不了長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，不然就會(huì)燒壞。那怎么辦？

突破二：既然是因?yàn)閷?dǎo)線的原因使聚變不能一直進(jìn)行，那我可以把電阻降低直至為零啊，所以，超導(dǎo)托卡馬克的概念就誕生了，我把產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈變成超導(dǎo)體，這不就不會(huì)產(chǎn)生很大熱量了嘛。

于是2006年，世界上第一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）在中國(guó)合肥美麗的科學(xué)島上出生了。從這時(shí)開(kāi)始，聚變界喜訊連連。2006年，EAST首次運(yùn)行就獲得了411秒2000萬(wàn)度的等離子體放電，是連續(xù)運(yùn)行最長(zhǎng)時(shí)間的世界紀(jì)錄。2017年，EAST實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2s高約束等離子體運(yùn)行，等離子體溫度達(dá)到了500多萬(wàn)度，而且相比于06年可以更穩(wěn)定的約束更多等離子體。而今年，等離子體終于可以達(dá)到1億度了。這個(gè)消息最大的意義就在于，我們有了可以長(zhǎng)時(shí)間讓聚變?nèi)剂显凇按呕\”中保持1億度并且放電的可行性了。

圖6 EAST裝置

“爐子”有了，溫度也能達(dá)到了，接下來(lái)只要能夠讓聚變?nèi)剂峡梢愿映志玫娜紵?，那么聚變發(fā)電的一天就真正到了，我覺(jué)得離這一天不會(huì)太短也不會(huì)太長(zhǎng)。重點(diǎn)是要保持一顆平常心，聚變是一個(gè)大工程，羅馬城也不是一天兩天建成的嘛。聚變領(lǐng)域最為人熟知的可能就是50年定律了，就是說(shuō)離聚變發(fā)電永遠(yuǎn)還有50年，可大家應(yīng)該可以看到，每隔大約20年甚至10年，聚變領(lǐng)域就會(huì)有一個(gè)大的突破，隨著人類(lèi)技術(shù)水平的提高，這個(gè)周期只會(huì)越來(lái)越短。不要太悲觀，因?yàn)槲覀円恢痹谶M(jìn)步；不要太過(guò)樂(lè)觀，因?yàn)槲覀儐?wèn)題還有很多，許多相關(guān)的技術(shù)比如超導(dǎo)、材料、物理等都還不夠成熟。

圖7 聚變?nèi)祟?lèi)夢(mèng)寐以求的能源

總結(jié)一下，中國(guó)聚變實(shí)現(xiàn)一億度是個(gè)巨大的進(jìn)步，這表明世界離聚變發(fā)電更近了，但我們現(xiàn)在研究的都只是核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，只涉及到物理機(jī)制的研究和工程技術(shù)的儲(chǔ)備，都沒(méi)有涉及聚變反應(yīng)后發(fā)生的能量輸出環(huán)節(jié)，而我們目標(biāo)是要建造商用聚變電站，這個(gè)跨越可能面臨更多我們沒(méi)見(jiàn)過(guò)的問(wèn)題。

此外，建造一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置動(dòng)輒就需要幾億上十億美元，耗資仍然巨大。對(duì)一些高精尖技術(shù)比如大型超導(dǎo)磁體、大體積超高真空、等離子體控制工程等等的要求會(huì)越來(lái)越高。無(wú)論如何，有信心，多給聚變一點(diǎn)時(shí)間，它一定會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)一個(gè)水清天藍(lán)、寧?kù)o祥和的新世界，而且更應(yīng)該相信第一盞“人造太陽(yáng)”之火點(diǎn)亮的燈會(huì)在中國(guó)亮起。