中國環(huán)流三號建成后取得的主要成果

資料來源：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所

圖三

圖四

　　地球上的石油,、煤等化石能源耗盡后,，人類靠什么生活?一種被稱為“托卡馬克”的“人造太陽”實驗裝置，承載起人類邁向能源自由的夢想,。近期,，我國托卡馬克核聚變實驗裝置取得重大成果：新一代“人造太陽”中國環(huán)流三號(HL—3)實現(xiàn)等離子體電流1.6兆安，達到國際領(lǐng)先水平,，等離子體電流,、聚變“三乘積”等核心參數(shù)再上新臺階;東方超環(huán)(EAST)首次實現(xiàn)1066秒長脈沖高約束模等離子體運行，再次創(chuàng)造了托卡馬克裝置新的世界紀錄,。本期“瞰前沿”聚焦國內(nèi)外“人造太陽”的最新研究進展,，看看人類距離可控核聚變還有多遠。

　　——編 者

　　“一團耀眼的白光從山脈盡頭升起……”在科幻小說《三體》中,，太空飛船核聚變發(fā)動機發(fā)出的光芒如同太陽,。利用核聚變等技術(shù)，人類走出地球家園,，走向廣袤宇宙,。

　　萬物生長靠太陽。太陽之所以能發(fā)光發(fā)熱,，是因為內(nèi)部的核聚變反應(yīng),。核聚變能具有資源豐富、環(huán)境友好,、固有安全等突出優(yōu)勢,，是人類理想的未來能源。如果能造一個“太陽”來發(fā)電,，人類有望實現(xiàn)能源自由,。

　　2024年，科技部,、工業(yè)和信息化部,、國務(wù)院國資委等七部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》，指出加強推進以核聚變?yōu)榇淼奈磥砟茉搓P(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),。實現(xiàn)聚變能源應(yīng)用是我國核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略的最終目標,。

　　可控核聚變作為典型的前沿性、顛覆性技術(shù),，未來一旦實現(xiàn)應(yīng)用,，將徹底改變世界能源格局，保障我國未來能源安全,。

　　“人造太陽”從“核”而來

　　用1升水“釋放”燃燒300升汽油的能量

　　核聚變是將較輕的原子核聚合反應(yīng)而生成較重的原子核,，并釋放出巨大能量。

　　1952年,，世界上第一顆氫彈成功試爆,，讓人類認識到氘氚核聚變反應(yīng)的巨大能量。但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應(yīng),，不能提供穩(wěn)定的能源輸出,。從此，人類便致力于在地球上實現(xiàn)人工控制下的核聚變反應(yīng)(即可控核聚變),，希望利用太陽發(fā)光發(fā)熱的原理,，為人類鋪展能源自由之路。因此,，人們也將可控核聚變研究的實驗裝置稱為“人造太陽”,。

　　氘氚聚變作為能源，具有明顯優(yōu)勢,。首先,，氘氚聚變所需燃料在地球上的儲量極為豐富。氘大量存在于水中,，每升水可提取出約0.035克氘,，通過聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)于燃燒300升汽油的能量;氚可通過中子轟擊鋰來制備，在地殼,、鹽湖和海水中,，鋰大量存在。其次,，氘氚聚變反應(yīng)不產(chǎn)生有害氣體,，無高放射性活化物，對環(huán)境友好,。

　　然而,，“人造太陽”維持自身燃燒的條件非常苛刻,。英國科學(xué)家勞遜在20世紀50年代研究了這一條件的門檻——也被稱為聚變點火條件,。據(jù)計算，實現(xiàn)可觀的氘氚聚變等離子體離子溫度要大于1億攝氏度,，等離子體密度,、溫度和等離子體能量約束時間的乘積(“三乘積”)大于5×1021千電子伏特·秒/立方米。

　　數(shù)十年來,，國際上探索了眾多核聚變路線,。目前,，實現(xiàn)核聚變反應(yīng)主要有引力約束、磁約束,、慣性約束3種方式,。太陽因本身質(zhì)量巨大，可通過巨大引力,，在極端高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生引力約束核聚變反應(yīng),。而在地球上，實現(xiàn)可控核聚變主要有磁約束核聚變,、激光慣性約束核聚變兩種方式,。激光慣性約束核聚變可以采用激光作為驅(qū)動器壓縮氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等離子體的慣性約束時間內(nèi)實現(xiàn)核聚變點火燃燒,。采用強磁場約束等離子體的方法把核聚變反應(yīng)物質(zhì)控制在“磁籠子”里面,，就是磁約束核聚變。

　　道路依舊充滿挑戰(zhàn)

　　“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關(guān)鍵

　　在眾多技術(shù)途徑中,，托卡馬克是通過等離子體電流和外部磁體線圈產(chǎn)生的螺旋磁場約束聚變?nèi)剂想x子,，被認為有望率先實現(xiàn)聚變能源的應(yīng)用，也是目前全球研發(fā)投入最大,、最接近核聚變點火條件,、技術(shù)發(fā)展最成熟的途徑。

　　托卡馬克最初是由蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發(fā)明的,，是一種利用磁場約束帶電粒子來實現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器,。當(dāng)前，世界上建成并運行了超過50個不同規(guī)模的托卡馬克裝置,，不同托卡馬克裝置的幾何尺寸,、等離子體約束性能等也各有不同。目前中國運行的托卡馬克主要包括常規(guī)托卡馬克和球形托卡馬克,。

　　自托卡馬克開展實驗以來,，等離子體綜合參數(shù)不斷提升，“三乘積”提升了幾個數(shù)量級,，逐漸趨近點火條件,。歐洲的JET與美國的TFTR裝置上獲得氘氚聚變功率輸出，揭示了托卡馬克磁約束可控核聚變路線的原理可行性,。2021—2023年,，JET創(chuàng)造了69兆焦耳聚變能輸出的世界紀錄。

　　托卡馬克磁約束核聚變研究雖然不斷取得突破,，但前方的道路依舊充滿挑戰(zhàn),。堆芯等離子體“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”是源源不斷獲取聚變能的關(guān)鍵，實現(xiàn)該目標主要有五大類問題需要解決。

　　一是等離子體非感應(yīng)電流驅(qū)動問題,。等離子體電流由歐姆驅(qū)動電流和非感應(yīng)驅(qū)動的電流組成,。歐姆驅(qū)動電流是基于變壓器原理，通過等離子體外部線圈電流變化感應(yīng)而來的,。對于非感應(yīng)電流驅(qū)動,，一部分可以通過外部的高功率微波和中性粒子束注入來驅(qū)動,，另一部分則來自等離子體自身壓強梯度產(chǎn)生的“自舉電流”,，實驗上希望等離子體自己提供的這部分電流份額越高越好。

　　二是加料與排灰問題,。聚變等離子體被約束在真空室內(nèi),，形成一種類似“甜甜圈”的形狀。在“甜甜圈”環(huán)向軸中心位置附近的等離子體密度和溫度最高,，越往邊界參數(shù)越低,。傳統(tǒng)加料方式注入的中性氣體氘和氚，難以深入等離子體芯部,，其燃燒效率難以提高,。同時堆芯等離子體聚變反應(yīng)，會產(chǎn)生大量的氦,，也被稱為氦灰,。氦灰容易堆積在芯部，導(dǎo)致等離子體性能退化,，甚至引發(fā)等離子體熄滅,。

　　三是等離子體與材料相互作用問題。聚變堆運行期間,，一些攜帶高能量的粒子可能突破磁場的約束,，撞擊在聚變裝置的內(nèi)部部件上，對這些部件材料造成威脅,。同時,，如果聚變堆運行期間發(fā)生的粒子與材料相互作用在等離子體邊緣產(chǎn)生大量雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會稀釋燃料離子的濃度,，使聚變等離子體性能顯著下降,，聚變功率難以穩(wěn)定維持。

　　四是阿爾法粒子物理問題,。阿爾法粒子是氘氚聚變的帶電粒子產(chǎn)物氦(攜帶3.5 百萬電子伏特能量)的別稱,。目前，由于長期缺乏合適的實驗平臺開展相關(guān)實驗,，燃燒等離子體阿爾法粒子物理研究深度還不夠,，相關(guān)的科學(xué)問題還需要在氘氚聚變實驗裝置上進一步驗證。

　　五是大尺度磁流體不穩(wěn)定性和大破裂控制問題。聚變等離子體中還存在大量的不穩(wěn)定性,，這些“不穩(wěn)定性因素”會在不同程度上破壞核聚變反應(yīng)的安全穩(wěn)定運行,。

　　探索交叉領(lǐng)域

　　人工智能嶄露頭角

　　近年來，為開展“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”問題的研究,，國際上各大裝置實驗向著更高參數(shù)邁進,。我國的中國環(huán)流系列、東方超環(huán)等可控核聚變裝置運行不斷取得突破,，如國內(nèi)當(dāng)前規(guī)模最大,、參數(shù)能力最高的中國環(huán)流三號首次實現(xiàn)100萬安培等離子體電流高約束模運行，創(chuàng)造我國磁約束聚變裝置運行紀錄,。2023年在歐盟與日本合建的當(dāng)前規(guī)模最大托卡馬克JT—60SA上也實現(xiàn)了100萬安培等離子體放電,。2025年1月，東方超環(huán)創(chuàng)造了1066秒的高約束模等離子體運行紀錄,。

　　近年來,，人工智能在可控核聚變研究領(lǐng)域展現(xiàn)出強大的賦能作用。深度學(xué)習(xí),、擴散模型等前沿技術(shù)被應(yīng)用于高精度等離子體模擬程序的加速計算等場景,，帶來技術(shù)突破。

　　2019年,，哈佛大學(xué)與普林斯頓等離子體物理實驗室的研究團隊,，使用在美國運行的DIII—D托卡馬克裝置上訓(xùn)練出的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以超過90%的正確率預(yù)警了JET裝置的破裂事件,。2022年,，谷歌旗下DeepMind團隊與瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院合作使用強化學(xué)習(xí)智能體在TCV托卡馬克上實現(xiàn)了限制器、常規(guī)偏濾器,、先進偏濾器甚至雙環(huán)等離子體位形的控制,。2024年，韓國中央大學(xué)與普林斯頓等離子體物理實驗室的研究團隊使用深度學(xué)習(xí)方法,，在KSTAR與DIII—D托卡馬克上成功預(yù)測了撕裂模不穩(wěn)定性的增長概率,，并結(jié)合強化學(xué)習(xí)算法，在提升等離子體比壓的同時對撕裂模增長概率進行控制,。

　　國內(nèi)機構(gòu),、高校也在聚變與人工智能交叉領(lǐng)域開展了大量探索。中核集團核工業(yè)西南物理研究院將破裂預(yù)測,、平衡反演代理模型,、邊緣局域模實時識別與控制等人工智能模塊應(yīng)用于核聚變裝置的控制運行，有效解決了部分控制問題,。

　　展望未來,，可控核聚變一旦實現(xiàn)應(yīng)用,，將為人類提供豐富、清潔的理想能源,?？苹弥械奈磥砜萍迹蛟S能在可控核聚變的支撐下成為現(xiàn)實,。

　　(作者為中核集團核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所所長)

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　　中國環(huán)流三號

　　中國環(huán)流三號(圖三)是目前我國規(guī)模最大,、參數(shù)最高的托卡馬克裝置，由中核集團核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計,、建造和運行,，裝置總高8.39米，直徑8米,，等離子體離子溫度可達1.5億攝氏度,。

　　中國環(huán)流三號2020年建成后,，多次刷新我國可控核聚變裝置運行新紀錄,。2023年12月，中核集團核工業(yè)西南物理研究院與國際熱核聚變實驗堆(ITER)總部簽署協(xié)議,，宣布中國環(huán)流三號作為ITER衛(wèi)星裝置面向全球開放,。

　　東方超環(huán)

　　東方超環(huán)(圖四)是我國自主研發(fā)的世界上首個全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置。該裝置由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所自主設(shè)計,、研制,，擁有完全知識產(chǎn)權(quán)。

　　東方超環(huán)基于磁約束核聚變原理工作,。近年來,，東方超環(huán)在等離子體的參數(shù)如溫度、密度,、持續(xù)放電時間上不斷取得突破,。東方超環(huán)的建設(shè)和投入運行為世界穩(wěn)態(tài)近堆芯聚變物理和工程研究搭建起一個重要的實驗平臺，使我國成為世界上第一個掌握新一代先進全超導(dǎo)托卡馬克技術(shù)的國家,。(鐘武律)

編輯：周大為