人造太阳即将升起：可控核聚变的探索历程

太阳的光和热来自太阳的核聚变，氢原子核在太阳的核心处碰撞，融合成更重的氦原子，并释放出大量能量，成为太阳的能量来源，也是维持地球生命的能量来源。

随着全球人口增长和经济发展，能源需求将持续增长，寻找未来能源成为当务之急。2020年12月4日，新一代“人造太阳”装置一中国环流器二号M装置（HL-2M ）在成都建成并实现首次放电，这意味着中国再度加快了在未来能源探索方面的步伐。

地球化石燃料有限、不可再生，而且有污染；风能和水能不稳定；人类核电站所用的核裂变原料有限，核废料还有放射性污染。而可控核聚变不排放有害气体，有利于解决当前的环境污染问题。

核聚变的原料是氢的同位素（氘和氤），在地球上的含量极为丰富。氘在海水中储量极大，1升海水里提取出的氘在完全聚变反应后，可释放相当于燃烧300升汽油的能量。科学家提出，既然太阳的能量来自其内部的核聚变反应，

那么人类也可以模拟太阳产生能量的原理，研发人为可控核聚变技术制造“太阳”。

从核裂变到核聚变，从不可控到可控，虽然仅一字之差，但技术难度的差别太大了。科学家发现，在实验室环境下，最有效的聚变反应是氘和氤之间的反应，能在所谓“最低的温度”下产生最高的能量增益。要进行核聚变反应，首先必须提高物质的温度，使原子核和电子分开，处于这种状态的物质称为等离子体。但是，都带正电的原子核之间会互相排斥，很难接近彼此。

想要发生核聚变，必须保证等离子体的温度（增加发生碰撞的可能性）、密度和封闭时间（等离子体很快就会飞散开来，所以必须先将其封闭）。

在太阳里，可以利用巨大的引力使等离子体封闭。那么，在实验室中怎么办呢？一种方法便是利用磁场。当等离子体带电时，电荷被卷在磁力线上。只要制造出磁场，就能够将等离子体封闭，使它们悬浮在真空中。20世纪50年代，科学家首次提出“托卡马克”的概念。

“托卡马克”装置

中国环流器二号M装置（ 图片来源视觉中国）

“托卡马克”是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器，中央设计成一个环形真空，外面围绕着线圈，氘和氤被注入托卡马克。通电时，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，加热直到它们变成等离子体。当等离子体达到1.5亿龙时，即发生聚变。原子聚变产生的能量以热的形式被容器壁吸收，就像传统的发电厂一样，聚变发电厂将利用这些热量产生蒸汽，然后通过涡轮和发电机发电。

我国于20世纪50年代着手可控聚变研究，目前一直处在国际先进水平，在全球民 用核聚变技术方面走在世界最前列。我国于1970年开始自主设计、研发投建第一座“人造太阳”实验装置一中国环流器一号，直至1984年建成。在中国环流器一号的基础上，经过重新改建，1994年中国环流器新一号竣工建成。2002年，我国又建成了第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置一中国环流器二号A（HL-2A）O2020年，在前3座装置的基础积累下，中国环流器二号M（HL-2M ）成功改造升级，成为我国规模最大、参数最高的先进磁约束托卡马克装置。

中国环流器二号M装置（HL-2M ）是我国自主设计建造，采用了先进的结构和控制方式，具有先进的偏滤器位形的优势。它的体积是目前国现有装置的两倍以上，等离子体电流的能力可以提高到2.5兆安培，等离子体离子的温度可以达到1.5亿龙，相当于太阳核心温度的10倍。

在中国环流器二号M装置（HL-2M ）的建设过程中，核工业西南物理研究院联合国内多家研制单位，在装置物理与结构设计、特殊材料研制、材料连接与关键部件研发、总装集成等方面取得了多项突破，实现了可拆卸线圈结构，提高了控制运行水平，增强了装置的物理实验研究能力；攻克了高镍合金双曲面薄壁件大型真空容器模压成型和焊接变形控制等关键技术；掌握了具有国际先进水平的异形铜合金厚板材制造成型工艺，实现了高强度膨胀螺栓组件的自主国产化；研制成功具有国际先进水平的国内首台大型立轴脉冲发电机组。以中国环流器二号M装置（HL-2M ）建设为牵引，核工业西南物理研究院掌握的特种材料、关键设备、极端条件精密制造等关键技术，已形成“同步辐射”效应，在航空、航天、电子等前沿领域实现创新应用。

太阳的能量

据科学家测算，太阳每秒钟释放的能量相当于900亿个当量在百万吨级核弹爆炸 所释放的能量，地球能够接收到的太阳发出的能量占比仅仅达到二十二亿分之一。 可就是这么一点看似不起眼的比例，为地球维持相对稳定的温度、生命体的诞生和生物的发展演化提供了充足的保障。在构成太阳的物质中，氢元素和氮元素占太阳总质量的98.2%（其中以氢元素为主，占71%左右），氧、碳、铁、氖、氮、硅、镁等元素组成剩下不到2%的质量。太阳之所以能将氢的同位素氘和氤聚合成氮，释放出取之不竭的热核聚变能源，在于它内部有1.5亿。C以上的高温和3000亿个大气压的超高气压。