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中国环流三号建成后取得的主要成果

资料来源：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所

图三

图四

地球上的石油、煤等化石能源耗尽后，人类靠什么生活？一种被称为“托卡马克”的“人造太阳”实验装置，承载起人类迈向能源自由的梦想。近期，我国托卡马克核聚变实验装置取得重大成果：新一代“人造太阳”中国环流三号（HL—3）实现等离子体电流1.6兆安，达到国际领先水平，等离子体电流、聚变“三乘积”等核心参数再上新台阶；东方超环（EAST）首次实现1066秒长脉冲高约束模等离子体运行，再次创造了托卡马克装置新的世界纪录。本期“瞰前沿”聚焦国内外“人造太阳”的最新研究进展，看看人类距离可控核聚变还有多远。

——编  者

“一团耀眼的白光从山脉尽头升起……”在科幻小说《三体》中，太空飞船核聚变发动机发出的光芒如同太阳。利用核聚变等技术，人类走出地球家园，走向广袤宇宙。

万物生长靠太阳。太阳之所以能发光发热，是因为内部的核聚变反应。核聚变能具有资源丰富、环境友好、固有安全等突出优势，是人类理想的未来能源。如果能造一个“太阳”来发电，人类有望实现能源自由。

2024年，科技部、工业和信息化部、国务院国资委等七部门联合发布《关于推动未来产业创新发展的实施意见》，指出加强推进以核聚变为代表的未来能源关键核心技术攻关。实现聚变能源应用是我国核能发展“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略的最终目标。

可控核聚变作为典型的前沿性、颠覆性技术，未来一旦实现应用，将彻底改变世界能源格局，保障我国未来能源安全。

“人造太阳”从“核”而来

用1升水“释放”燃烧300升汽油的能量

核聚变是将较轻的原子核聚合反应而生成较重的原子核，并释放出巨大能量。

1952年，世界上第一颗氢弹成功试爆，让人类认识到氘氚核聚变反应的巨大能量。但氢弹爆炸是不可控的核聚变反应，不能提供稳定的能源输出。从此，人类便致力于在地球上实现人工控制下的核聚变反应（即可控核聚变），希望利用太阳发光发热的原理，为人类铺展能源自由之路。因此，人们也将可控核聚变研究的实验装置称为“人造太阳”。

氘氚聚变作为能源，具有明显优势。首先，氘氚聚变所需燃料在地球上的储量极为丰富。氘大量存在于水中，每升水可提取出约0.035克氘，通过聚变反应可释放相当于燃烧300升汽油的能量；氚可通过中子轰击锂来制备，在地壳、盐湖和海水中，锂大量存在。其次，氘氚聚变反应不产生有害气体，无高放射性活化物，对环境友好。

然而，“人造太阳”维持自身燃烧的条件非常苛刻。英国科学家劳逊在20世纪50年代研究了这一条件的门槛——也被称为聚变点火条件。据计算，实现可观的氘氚聚变等离子体离子温度要大于1亿摄氏度，等离子体密度、温度和等离子体能量约束时间的乘积（“三乘积”）大于5×1021千电子伏特·秒/立方米。

数十年来，国际上探索了众多核聚变路线。目前，实现核聚变反应主要有引力约束、磁约束、惯性约束3种方式。太阳因本身质量巨大，可通过巨大引力，在极端高温高压的环境下发生引力约束核聚变反应。而在地球上，实现可控核聚变主要有磁约束核聚变、激光惯性约束核聚变两种方式。激光惯性约束核聚变可以采用激光作为驱动器压缩氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等离子体的惯性约束时间内实现核聚变点火燃烧。采用强磁场约束等离子体的方法把核聚变反应物质控制在“磁笼子”里面，就是磁约束核聚变。

道路依旧充满挑战

“稳态自持燃烧”是源源不断获取聚变能的关键

在众多技术途径中，托卡马克是通过等离子体电流和外部磁体线圈产生的螺旋磁场约束聚变燃料离子，被认为有望率先实现聚变能源的应用，也是目前全球研发投入最大、最接近核聚变点火条件、技术发展最成熟的途径。