近日，一則新聞引起了媒體的廣泛關注：我國聚變科學裝置“人造太陽”取得重大突破，等離子體中心溫度首次達到一億攝氏度。這一億度可不是簡單的一個數(shù)字，它是在多項實驗參數(shù)接近聚變電站穩(wěn)態(tài)運行模式所需要的物理條件的環(huán)境中首次實現(xiàn)的，也就意味著我們第一次可以更加真實的模擬未來商用聚變堆，進行相關實驗，測試是否會出現(xiàn)其他未知的物理或者工程問題，為人類開發(fā)
核聚變之所以難，完全是因為它要求的條件很是苛刻，太陽可以輕易地發(fā)生聚變是因為其核心溫度高達1500萬攝氏度而且有很高的密度，氫彈則是依賴核心裝載的原子彈提供聚變點火的能量。所以我們在地球上種太陽，也就是實現(xiàn)可以被我們控制的核聚變（氫彈不可控），經(jīng)過計算，需要創(chuàng)造一個類似于太陽的環(huán)境，一個需要使原料達到1億攝氏度的環(huán)境。比太陽最高的溫度還要高10倍！而且當氫元素被加熱到這么高的溫度時，他的狀態(tài)就會由氣態(tài)變成等離子體態(tài)，這種狀態(tài)類似于氣體，但是內(nèi)部帶電。我們要建造的“人造太陽”就好比一個燒煤的爐膛，首先需要有耐高溫的爐子可以裝燃燒的煤，然后需要達到煤的燃燒溫度否則燒不起來，最終需要的是要保證煤可以一直保持燃燒的溫度，否則燒一會就自己熄滅了。所以問題就是，我們用什么來裝這些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)科學家此前并沒有研究太多。這可真的是一個全新的領域，路真的很難走，科學家們也一直在努力提出新的想法新的思路，很多不同種類的聚變裝置也建立了起來。為了給大家以信心，接下來就介紹一下60年來聚變界的進步與成果。
圖4 氣態(tài)轉(zhuǎn)化為等離子體態(tài)
首先是我們用什么來“盛裝”這些等離子體，近一億度的溫度任何材料都承受不了，但因為等離子體有個特點就是帶電，既然帶電，科學家們就想到可不可以用一個磁場去裝，然后“磁約束”聚變的概念就出爐了，也就是用很強的磁場做成籠子，讓這些高溫燃料遠離我們的“爐壁”。圍繞著“磁約束”聚變裝置的設計概念有很多，限于篇幅，今天只重點介紹在國際主流的裝置——托卡馬克上實現(xiàn)的突破。
圖5 “磁籠”盛裝等離子體
突破一：從20世紀70年代開始，國際上開始進行托卡馬克裝置的研究工作，經(jīng)過不斷地努力，終于在20年后，歐洲的聚變裝置JET第一次實現(xiàn)了聚變功率16MW，同時輸出功率超過輸入功率的歷史性突破，這無異于給所有研究聚變的科學家一顆定心丸，因為終于從實驗上證實托卡馬克實現(xiàn)可控聚變是有科學可行性的。但不幸的是，這個過程只持續(xù)了幾秒鐘，也就是說，不能長時間放電，還是不能商用。為什么呢？就是因為我剛才提到的，我需要制作一個“磁籠”裝聚變?nèi)剂�，可是這些磁場是要用外部很大的導線電流產(chǎn)生，導線有電阻，就會產(chǎn)生熱量（電熱爐的原理），所以導線承受不了長時間的運行，不然就會燒壞。那怎么辦？
突破二：既然是因為導線的原因使聚變不能一直進行，那我可以把電阻降低直至為零啊，所以，超導托卡馬克的概念就誕生了，我把產(chǎn)生磁場的線圈變成超導體，這不就不會產(chǎn)生很大熱量了嘛。于是2006年，世界上第一臺全超導托卡馬克EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）在中國合肥美麗的科學島上出生了。從這時開始，聚變界喜訊連連。2006年，EAST首次運行就獲得了411秒2000萬度的等離子體放電，是連續(xù)運行最長時間的世界紀錄。2017年，EAST實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2s高約束等離子體運行，等離子體溫度達到了500多萬度，而且相比于2006年可以更穩(wěn)定地約束更多等離子體。而今年，等離子體終于可以達到1億度了。這個消息最大的意義就在于，我們有了可以長時間讓聚變?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，溫度也能達到了，接下來只要能夠讓聚變?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，我覺得離這一天不會太短也不會太長。重點是要保持一顆平常心，聚變是一個大工程，羅馬城也不是一天兩天建成的嘛。聚變領域最為人熟知的可能就是50年定律了，就是說離聚變發(fā)電永遠還有50年，可大家應該可以看到，每隔大約20年甚至10年，聚變領域就會有一個大的突破，隨著人類技術水平的提高，這個周期只會越來越短。不要太悲觀，因為我們一直在進步；不要太過樂觀，因為我們問題還有很多，許多相關的技術比如超導、材料、物理等都還不夠成熟。
圖7 聚變?nèi)祟悏裘乱郧蟮哪茉?/p>
總結一下，中國聚變實現(xiàn)一億度是個巨大的進步，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驗裝置，只涉及到物理機制的研究和工程技術的儲備，都沒有涉及聚變反應后發(fā)生的能量輸出環(huán)節(jié)，而我們目標是要建造商用聚變電站，這個跨越可能面臨更多我們沒見過的問題。此外，建造一個實驗裝置動輒就需要幾億上十億美元，耗資仍然巨大。對一些高精尖技術比如大型超導磁體、大體積超高真空、等離子體控制工程等等的要求會越來越高。無論如何，有信心，多給聚變一點時間，它一定會給人類帶來一個水清天藍、寧靜祥和的新世界，而且更應該相信第一盞“人造太陽”之火點亮的燈會在中國亮起。
【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 徐宇晨】
