人工可控核聚变：现状、方案与未来的能源之光

作者：段跃初

一、引言

近年来，可控核聚变领域不断传来振奋人心的消息，宛如一盏盏希望之灯，照亮了人类能源未来的道路。我国的“东方超环”和“环流三号”托克马克大科学装置在高约束模等离子体模式下创造了一系列新突破，国际热核聚变堆（ITER）虽有计划推迟，但中国聚变工程实验堆（CFETR）有着明确且宏伟的目标，而且随着民间资本的涌入，国内外商业公司纷纷加入核聚变赛道。这一切都似乎在向我们宣告：可控核聚变的时代正加速向我们走来。那么，可控核聚变究竟为何如此备受关注？实现它的方案又有哪些？未来又有什么值得我们期待的呢？作为中国科学院物理研究所的研究员，我将和大家一起深入探讨人工可控核聚变的现状与未来。

二、核能利用的三种类型

（一）核衰变能源

核能的利用方式主要有三类，核衰变是其中之一。核衰变能源会放出核辐射，不过其单位时间释放的能量比较有限。这种能源主要应用于一些低能耗、长周期的特殊环境，比如核能电池。核能电池在一些对能量需求不大但需要长期稳定供电的设备中发挥着独特的作用，像宇宙探测器等，它利用核衰变过程中缓慢释放的能量来维持设备的运行。

（二）核裂变

核裂变是目前原子能发电的主要方式。它是利用中子等“炮弹”去轰击铀、钚、钍等重原子核，使原子核裂变成更小质量的核。在这个过程中，不仅会释放出能量，还会产生更多的中子，这些中子又会继续轰击其他原子核，从而引发链式反应，持续不断地输出能量。然而，核裂变存在着严重的问题。一方面，核污染风险是一个巨大的隐患，核裂变过程中产生的放射性物质如果泄漏，会对环境和人类健康造成长期且严重的危害。另一方面，核废料的处理也是一个棘手的难题，这些核废料具有放射性且半衰期长，需要特殊的处理和储存方式，否则会对周围环境产生持续的影响。这些问题使得核裂变能源在大规模应用上存在诸多限制和担忧。

（三）核聚变

核聚变则是一些轻元素核，如氢及其同位素氘和氚，在高温高压等离子体情形下合并成新的原子核，并同时释放出大量的能量。与核裂变不同，可控核聚变具有显著的优势。它产生的中子是短寿命的，而且一旦等离子体的温度或密度降低到阈值以下，核聚变反应会即刻停止，辐射也会很快消失。这就意味着可控核聚变是一种非常理想的清洁能源，不会像核裂变那样存在长期的核污染风险和复杂的废料处理问题。

三、“人造太阳”——可控核聚变的理想目标

（一）太阳：巨大的核聚变“火球”

我们在地球上所利用的能源，几乎都可以追溯到太阳。太阳是一个巨大无比的核聚变“火球”，它通过核聚变反应源源不断地释放出巨大的能量。太阳辐射主要以光的形式传播到地球表面，正是这种能量造就了地球独特的气候、环境，并且推动了生命的演化。科学家们很早就受到太阳核聚变的启发，设想将核聚变在地球上实现人工可控，创造出“人造太阳”来造福人类的未来。

（二）实现“人造太阳”的巨大挑战

然而，要实现能量稳定输出的可控“人造太阳”，其难度远远超过制造一颗不可控的氢弹。太阳的核心温度高达上千万摄氏度，压力更是达到了恐怖的3000亿个大气压。要在地球上模拟这样的条件几乎是不可能的，更何况要“点燃”一个人造太阳，至少需要上亿摄氏度的温度，这样的高温根本无法直接接触任何容器。这就像是一道看似无法跨越的鸿沟，横亘在科学家们面前。

四、可控核聚变的主要方案：磁约束核聚变

（一）托克马克方案

目前，实现可控核聚变的主要方案之一是磁约束核聚变，而其中最接近成熟的技术就是托克马克方案。托克马克装置是借助极向磁场和环向磁场双重配合，将一束高温等离子体约束在真空环境中。只要氘 - 氚等离子体密度和温度达到一定的阈值，就可以实现核聚变。由于等离子体处于强约束状态下，几乎和容器壁不接触，所以即使是上亿度的高温也不用担心。

从理论上来说，托克马克的聚变功率正比于体积的一次方和磁场强度的四次方。要实现可控核聚变，或许需要15T约束磁场、100kA等离子体电流和10米左右的直径。在有限的体积内实现核聚变，就需要在提高磁场强度、增加电流密度、约束维持等离子体密度以及维持足够长时间的高温状态等方面下功夫，只有这样才能实现氘 - 氚自持核聚变反应，最终达到“点火条件”，也就是聚变堆内阿尔法粒子的自加热功率大于等于韧致辐射功率损失和热传导功率损失之和。

（二）正在建设中的ITER装置

目前正在建设的ITER装置就是典型的托克马克。ITER装置的磁场达到了11.8T，其单个磁体就高达三层楼，整个装置体积庞大、造价昂贵、建造工艺极其复杂。不过，它代表着人类在可控核聚变领域的重大探索和尝试。它的建设凝聚了全球多个国家和地区的科研力量和资源，是国际合作在大科学项目上的一个典范。

（三）紧凑型托克马克方案

为了降低成本和提高效率，科学家们又提出了新的“紧凑型”托克马克方案。这种方案是用高温超导磁体替代传统低温超导磁体，这样可以极大地提升磁场强度。同时，去掉内核插件，仅用3.5米左右的球形腔来实现聚变反应。这种球形托克马克装置具有很多优点，比如等离子体体积占比更高，堆功率更高，降温和散热更为便捷。但狭小的空间也带来了新的挑战，其设计难度更大。目前我国的多家商业公司如星环聚能、能量奇点、新奥集团等都在沿着这条路线进行研究和开发，英国的STEP计划也提出要在2040年实现100MW发电的目标，这显示了紧凑型托克马克方案在商业核聚变领域的巨大潜力。

五、其他可控核聚变方案

（一）仿星器方案

除了托克马克之外，还有很多其他的可控核聚变方案。例如，早在上世纪50年代，科学家就提出了“仿星器”的方案。仿星器是借助三维扭曲的磁体构造出一个环形磁场的“磁瓶”来约束等离子体。仿星器具有天然稳态运行、能够实现高密度等优点，而且它不需要依赖强大的内部等离子体电流来维持稳定。虽然仿星器由于技术原因起步相对较晚，但随着高温超导磁体技术的发展，它也迎来了新的机遇。高温超导磁体技术可以为仿星器提供更强大的磁场，有助于更好地约束等离子体，从而提高其实现可控核聚变的可能性。

（二）磁化靶堆方案

还有其他的磁约束方案，比如磁化靶堆。磁化靶堆方案有着自己独特的原理和特点，它在实现可控核聚变的道路上也有着自己的探索方向。不过，与托克马克和仿星器相比，磁化靶堆方案在技术研发和工程实现上也有着不同的挑战和问题需要克服。这些不同的方案都从不同的角度对可控核聚变进行研究和尝试，它们共同构成了可控核聚变领域丰富多样的研究版图。

六、可控核聚变的研究进展与挑战

（一）我国“东方超环”和“环流三号”的突破

我国的“东方超环”和“环流三号”托克马克大科学装置在高约束模等离子体模式下取得了一系列令人瞩目的新突破。这些突破包括在长脉冲、大电流、先进磁场结构等方面。这些成果不仅展示了我国在可控核聚变领域的强大科研实力，也为全球可控核聚变研究提供了宝贵的数据和经验。例如，长脉冲的实现意味着在更长时间内维持核聚变反应的可能性增加，这对于未来实现稳定的能源输出至关重要。大电流和先进磁场结构的突破则为更好地约束等离子体提供了新的方法和思路。

（二）国际热核聚变堆（ITER）计划的变化

国际热核聚变堆（ITER）的运行计划从2020年推迟到了2039年，这一变化反映出可控核聚变研究的复杂性和艰巨性。ITER项目涉及多个国家的合作，在建设过程中遇到了各种技术、资金、工程管理等方面的问题。不过，尽管有计划的推迟，ITER仍然是全球可控核聚变研究的重要里程碑项目，它的最终建成和运行将为人类理解和实现可控核聚变提供关键的实践经验。

（三）中国聚变工程实验堆（CFETR）的目标与意义

中国聚变工程实验堆（CFETR）有着明确的发展目标，即2035年左右建成、2050年实现聚变电网的目标。这一目标具有极其重大的意义，它将使我国在可控核聚变领域处于国际领先地位。CFETR的建设不仅需要攻克众多的科学和技术难题，还需要在工程建设、人才培养等方面进行全方位的努力。如果能够成功实现这一目标，将为我国乃至全球的能源结构带来革命性的变化，为解决能源问题提供一个全新的、可持续的方案。

（四）商业公司参与带来的新动力和挑战

随着民间资本的投入，越来越多的国内外商业公司加入了核聚变的赛道。这些商业公司带来了新的技术思路、创新模式和大量的资金，加速了可控核聚变研究的进程。例如，商业公司在紧凑型托克马克方案上的探索，为降低成本和提高效率提供了新的可能性。然而，商业公司的参与也带来了一些挑战，比如在知识产权保护、技术标准统一、市场竞争与合作等方面需要妥善处理，以确保可控核聚变研究在有序、高效的环境下进行。

七、可控核聚变对未来的意义与期待

（一）解决能源危机

可控核聚变如果能够成功实现并广泛应用，将从根本上解决人类面临的能源危机。传统的化石能源是有限的，而且燃烧化石能源会带来环境污染和气候变化等问题。核能虽然在一定程度上可以缓解能源压力，但核裂变存在的核污染风险和核废料处理难题限制了其大规模发展。而可控核聚变作为一种清洁能源，几乎可以提供无限的能源供应，满足人类日益增长的能源需求，无论是工业生产、交通运输还是日常生活，都将不再受到能源短缺的困扰。

（二）环境保护

可控核聚变的应用将对环境保护产生深远的影响。由于它不产生温室气体排放，也没有长期的放射性污染，将大大减少人类活动对环境的负面影响。这对于应对全球气候变化、保护生态平衡具有至关重要的意义。例如，不再需要大量燃烧煤炭、石油等化石燃料来发电，空气质量将得到显著改善，酸雨、雾霾等环境问题也将得到有效缓解。

（三）科技发展的新引擎

可控核聚变的研究涉及到众多前沿科学和技术领域，它的发展将成为科技发展的新引擎。从高温超导技术、强磁场技术到等离子体物理、材料科学等，各个领域都将在可控核聚变研究的推动下取得新的突破。这些技术的突破又将反过来促进其他相关产业的发展，比如在医疗领域，强磁场技术可以用于更先进的医学成像设备；在材料领域，研发出的耐高温、耐辐射材料可以用于航空航天等高端装备制造。

（四）国际合作与竞争的新焦点

可控核聚变已经成为国际合作与竞争的新焦点。在ITER项目中，多个国家共同合作，分享技术和资源，这体现了国际合作在大科学项目中的重要性。同时，各国也在积极开展自己的可控核聚变研究计划，如我国的CFETR，这种竞争关系也促使各国不断加大研发投入，提高研究效率，争取在这一领域取得领先地位。这种国际合作与竞争的环境将进一步推动可控核聚变研究的发展，加快人类实现可控核聚变能源应用的步伐。

八、结论

可控核聚变作为人类能源探索的前沿领域，承载着人类对未来能源的无限希望。从我国大科学装置的突破到国际合作项目的推进，从多种实现方案的研究到商业公司的积极参与，我们看到了可控核聚变研究的蓬勃发展和巨大潜力。尽管在前进的道路上还面临着诸多挑战，如技术难题、工程复杂性、国际协调等，但每一次的突破都让我们离实现“人造太阳”的梦想更近一步。可控核聚变的成功实现将为人类带来清洁、可持续的能源，改变全球能源格局，保护我们的地球环境，推动科技和社会的全面进步。我们有理由相信，在全球科研人员的共同努力下，可控核聚变时代必将到来，为人类创造一个更加美好的未来。

在未来的研究中，我们需要继续加强国际合作，整合各方资源，攻克技术难关。同时，也要鼓励商业公司的创新发展，建立良好的合作与竞争机制。在基础科学研究方面，要进一步深入探索等离子体物理、材料科学等相关领域，为可控核聚变的实现提供更坚实的理论支持。此外，还要加强人才培养，为可控核聚变领域注入源源不断的新鲜血液。总之，我们正站在一个伟大的能源革命的门槛上，向着可控核聚变的光明未来奋勇前行。