蘇聯拿出這個裝置時，西方人認為是騙人的，而中國投入100多億_風聞

日前，我國“人造太陽”EAST（又稱為“東方超環”）首次實現等離子體中心電子温度達1億度。

EAST是中科院等離子體所自主設計研製的磁約束核聚變（可控核聚變的方式之一）實驗裝置，此次實驗成果標誌着中國未來聚變反應堆實驗的運行邁出了關鍵一步。

消息一出，很多人為之振奮。

可控核聚變被認為是人類最理想的能源之一，有人把它視為“人類終極的能源供應”，甚至認為，如果人類熟練掌握了可控核聚變技術，那麼，實現星際航行指日可待！

可控核聚變為何有如此能量？人類離掌握這項改變世界的技術還有多遠？

文 | 何方 瞭望智庫特約能源觀察員 

      李浩然 瞭望智庫

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1

1升海水產生的能量相當於燃燒300升汽油！

日本有一部電影叫《生存家族》，講述了這樣一個故事：

某天清晨，東京居民醒來後發現，一切電器突然停止運轉，汽車、飛機、自來水、電池、手機都無法使用。

城市居民的衣食住行每一樣都離不開電，突如其來的停電無異於一場巨大的災難。

於是，長時間沒電的城市開始垃圾遍地，交通全面癱瘓，食物也都被買光了……

為了生存，人們不得不背井離鄉，逃往農村。

一路上，他們不得不重新學習如何生存，一場停電引發的“末日生存戰”打響。

該片告訴我們一個可怕的事實：不需要外星人入侵，不需要生化危機，不需要“猩球崛起”，斷個電，我們就可以活在公元前。

如果儲量有限的煤、石油、天然氣等能源耗盡，就沒了電，那麼，我們該如何生存？

實際上，科學家早就在思考這個問題了。

早在約100年前，世界著名物理學家愛因斯坦就預見到原子核中藴藏着巨大的能量。

1939年，美國物理學家貝特證實，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞，結合成一個氦原子核，並釋放出一箇中子和17.6兆電子伏特的能量。

這個發現，揭示了太陽“燃燒”的奧秘。

後來，氫彈的研製成功，讓核聚變從理論變為實踐。不過，氫彈利用的是不可控的聚變反應，做武器還行，總不能用氫彈發電吧？

我們真正需要的是和平地、可控地利用核聚變，俗稱“人造太陽”，其原理類似太陽發光發熱——在上億攝氏度的超高温條件下，利用氘、氚的聚變反應釋放出核能,為人類生產源源不斷的新能源。

這很讓人振奮！

一方面，與其他能源相比，核聚變的原料取自海水，可以説是無窮無盡。

據測算，每升海水中含有核聚變的主要原料氘0.03克，所以，地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。

1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當於300升汽油燃燒後釋放出的能量。

如果把自然界中的氘用於聚變反應，釋放的能量足夠人類使用大約100億年！

至於核聚變的另一種原料氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產生，而海水中也含有大量鋰。

另一方面，可控核聚變產生的能源不會產生二氧化碳等温室氣體，而且，不同於造成切爾諾貝利及福島等核輻射事件的核裂變，核聚變幾乎沒有放射性危害。

也就是説，如果在實現可控，核聚變簡直就是人類夢寐以求的能源聖盃！

科幻小説《三體》中描繪過這番圖景：

深埋在地下的現代城市，無線供電設施遍佈全城，依靠核聚變的巨大能量，農業徹底工廠化，一個星期就能收穫一季糧食作物……

2

讓鋼鐵俠飛起來的“託卡馬克”

可是，要在地球上模擬太陽、使聚變穩定持續進行並不容易，必須能扛住並長時間維持上億度的高温。

儘管人類已根據核聚變原理研究出了威力巨大的氫彈，但是，實現可控核聚變還有很長的路要走。

1957年，英國科學家提出了“勞森判據”，為可控核聚變的研究提供了量化的理論基礎。

根據勞森判據，可控核聚變受等離子體的密度、温度和維持時間這三個因素影響，只要這三個因素的乘積達到一個常數，可控核聚變就能發生。

比如太陽，因為其構成物質基本上處於等離子狀態，且密度極大，所以太陽中心的温度僅僅只有1600萬攝氏度，就能維持長期的核聚變反應。

相反，人類雖然可用電磁、激光等技術製造出超過一億攝氏度的高温環境，但人類製造的等離子體的密度低得如同空氣，維持時間也只能達到短短數分鐘（目前最高紀錄不超過十分鐘），所以也很難輸出長期穩定的核聚變能。

難度雖然大，但是起碼有了方向：只要想辦法提高等離子體的密度和温度，提高等離子體的維持時間，就能實現可控核聚變。

聽起來似乎也不算難，當時，科學家們頓時樂觀起來，他們甚至估計，不出五十年，也就是在人類進入二十一世紀的時候，就能用上聚變能！

當時，各國都在搞秘密研究，都想成為世界上最早研究出可控核聚變的國家。畢竟，可控核聚變技術帶給國家的戰略利益，比核彈可大多了。

研究可控核聚變有兩條獨立的路徑，一是磁約束，二是慣性約束。

其中，磁約束是科學家們最看重的技術路線，將等離子體束縛在巨大的磁場中加熱，實現可控核聚變，並沒有理論障礙，純粹是一個技術問題。

於是，各國科學家一開始就將全部精力投入到等離子體磁場的設計中，只要能夠設計出可靠的磁場，就相當於找到了一個實現可控核聚變的容器。

 

磁場約束高温等離子體

在這方面，蘇聯人走在了前列。1968年，蘇聯科學家提出“託卡馬克裝置”的構想。

事實上，鋼鐵俠裝在胸口亮着白光的那個類似“小爐子”的裝置，就是一個小型的“託卡馬克”，為鋼鐵俠提供巨大能量。

它是用磁場圍起來的，使聚變材料能在裏面懸浮起來，不會被燒化，通過不斷給懸浮的材料加熱到上億度，不斷產生能量。

這就是科學家要的磁約束力。

蘇聯人拿出這個裝置時，西方國家都認為是騙人的玩意。

直到英國科學家將信將疑地照着蘇聯人的方法，驗證了這個裝置的有效性，科學家們才真的“嗨”起來。

一旦核聚變被蘇聯率先攻克，蘇聯就掌握了人類通往未來的鑰匙。

之前遲疑不決的西方國家和日本一哄而上，紛紛開始建造自己的託卡馬克裝置。

那時候，科學家們對託卡馬克裝置的心情，就像掉入大海陷入絕望的人，看到了海面漂來的一條竹筏！

託卡馬克裝置

3

為研究核聚變打造“強國俱樂部”

從此以後，託卡馬克裝置風靡可控核聚變研究界，磁鏡、慣性約束之類都成了非主流。

近三十年來，全世界託卡馬克裝置加起來有上百座之多，我國的可控核聚變研究的主要成果，也是託卡馬克裝置研究上取得的。

相比其他國家，我國建造的託卡馬克裝置的時間較晚。

70年代，蘇聯建造了一個名為T-7的半超導託卡馬克。

託卡馬克裝置誕生後，各國紛紛投入巨資支持本國的可控核聚變研究，還是希望能成為最快掌握可控核聚變技術的國家。

這時候，大家也不再“閉門造車”了，各種國際合作和論壇紛紛設立，各國研究人員相互分享經驗，一方面讓各國同行少走彎路，另一方面凸顯本國科研實力。

1985年，蘇聯領導人戈爾巴喬夫和美國總統里根在日內瓦峯會上倡議提出建立“國際熱核聚變實驗堆（ITER）”計劃，該計劃的目的，是建造、運行一個可持續燃燒的託卡馬克型聚變實驗堆，以驗證聚變反應堆的工程技術可行性，為實現聚變能商業應用奠定基礎。

此後，美、蘇、日和歐共體（歐盟前身）開始籌劃“ITER計劃”，被稱為“強國俱樂部”——只有強國才能玩的起。

這個計劃是排他的，以便這些老牌發達國家能夠率先掌握人類未來能源形勢，繼續保持技術優勢。

四國外的其他國家不能成為其成員。當然，要想加入也行，只能以這四個成員國的“小夥伴”身份加入。加拿大是以歐共體小夥伴的身份加入的，中國當時經濟相對落後，就更沒有機會加入了。

然而，“強國”也有各自的難處，這個計劃實施起來並不順利。

90年代初，ITER計劃的實施方案出來後非常貴，需要上百億美元。

美國人一看，很難過國會那一關，而且在這上面“燒”這麼多錢，國內的核聚變研究必然會受到影響，於是直接就退出了（儘管後來又回來了）。

蘇聯解體後，俄羅斯本身經濟就出現了一些問題，又是石油輸出大國，對ITER計劃也不是特別上心；

日本當時經濟正好處於崩潰期，出這麼多錢也很心疼；

於是，下只剩下歐盟自己在吆喝了，這個計劃也就一直沒有實質性進展。

4

核心技術一定要百分之百國產化！

90年代初，俄羅斯建成了一個更先進的裝置，希望把T-7送到別的國家。

這個裝置被大卸八塊運到中國，經重新設計、研製後，於1994年成功建成HT-7超導託卡馬克裝置，使中國成為繼俄羅斯、日本和法國之後第四個擁有此類裝置的國家。

中國科學家就此做了很多試驗，讓等離子體中心電子温度達到了1200萬度，並維持了長達400秒，比法國人做得還好。

以HT-7為平台，培養了一批工程技術、科研和管理人才，為後續建造東方超環及核聚變事業持續發展奠定了人才基礎。

但是，這個裝置的很多關鍵部件都是從俄羅斯進口的，壞了以後還得請俄羅斯專家來修理。

中國工程院院士李建剛曾回憶，有次他們請來了一個俄羅斯專家。來到中國後，俄羅斯專家吃完飯就去睡覺了，而上百個中國科學家還在等着他來修好裝置。

那時候，中國科學家就想，核心技術一定要百分之百國產化！

之後我們在這方面下了大力氣，做了很多關鍵技術，比如這次實現一億度高温的“東方超環”裝置，就是中國科學家花費十五年心血做成的，裝置周邊幾乎每一個部件都是中國人自己製造的。

進入21世紀，各國能源需要日益擴大，各大國又認真思考起了世界能源危機這個話題。

於是，“ITER計劃”再次被人提起。

這時候，規則也改變了——ITER歡迎任何國家加入。

此時的中國，國力空前提高，而且對先進技術的渴望已經越來越強烈。因此，當2003年這個項目重啓的時候，我國攜可控核聚變研究的多年成果和經濟實力加入這個項目。

建設中的ITER項目

中國投入了100餘億元人民幣，據中國國際核聚變能源計劃執行中心主任羅德隆回憶，“當時科技部一年的項目投入也才200多億元人民幣。”

有人問，“花這麼多錢，值嗎？”

考慮下這項研究的價值，當然值！我們在核裂變技術上落後於其他國家多年，不想在核聚變技術上再次落後，它把我們的科研人員送到更高的平台，與世界級科研人員共同切磋、共同進步。

5

中國從ITER計劃中得到了什麼？

在中國決定加入前的大約一個星期，美國前總統小布什説要趕在中國之前重回ITER計劃。

韓國於2003年6月參加ITER計劃；2005年底，印度加入。

談判的時候面臨一個問題：實驗堆場址選在哪？

日本代表團提出，如果中國科學家支持選址日本，可以給中國10%的高層職位，又開出一些優厚條件。

中國科學家拒絕了日本的請求，並列出了一些指標，有幾項日本場址不佔優，比如地震頻繁，還有日本場址旁邊有美軍基地，經常有美軍基地導彈誤發在周邊。

日本科學家啞口無言，最後場址選在了法國。

ITER計劃的實施分四個階段：

建造期10年，總費用約為50億歐元；

運行期20年，總費用約50億歐元；

去活化階段5年，總費用約8億歐元；

最後階段，裝置交由東道方（歐盟）退役。

參與各國完全平等地享有項目的所有科研成果和知識產權。

ITER10年建造期間各方成本分攤

中國從中得到了什麼呢？

一是提高了磁約束聚變方面的研究水平。

以前是蘇聯、美國把不要的聚變裝置賣給我們，現在我們自己設計、建造的實驗裝置反而處於國際領先水平，有中科院東方超環（east），西物院的環流器二號A裝置等。

這些聚變裝置，使我國有了足夠的底氣可以與國際一流的聚變實驗室平等交流、對話。

二是中國相關企業的水平也提高了。

承擔ITER任務的中國一級供應商總共有20多家，在ITER建設階段，這些企業不僅填補了許多國內產品空白，其研發水平、產品還進入了國際領先行列。

比如，我們過去做不出超導導體，後來集中精力去研究如何把幾千根甚至上萬根絲做成頭髮根粗細的導線。線做好了，卻發現外邊的鋼管不行。

經過反覆研究，我們不僅做成了導線、鋼管，而且能批量生產。

目前，我們生產的導體樣品測試指標都達到了ITER裝置的要求，而且部分指標遠高於要求。

6

中國讓人類離最終掌握可控核聚變越來越近

目前，超導線圈的託卡馬克裝置是可控核聚變研究的最前沿科目。國外的超導線圈託卡馬克裝置共三台，分別是法國的Tore-Supra、俄羅斯的T-15、日本的JT-60U。

但是，這三台裝置都只有水平線圈是超導的，垂直線圈依然是常規線圈。

其中固然有成本的問題，但主要原因還在技術。

世界上第一台全超導託卡馬克裝置就是前面提到的“東方超環（EAST）”，俗稱“人造太陽”，它是世界上最早的水平和垂直線圈均為超導線圈的託卡馬克裝置。

不僅如此，東方超環還第一次採用了非圓形垂直截面，在不增加環形直徑的前提下增加了反應體的體積；

第一次採用了液氦無損耗的超導體系，實現了液氦這種昂貴冷卻劑的高效利用；

它還是世界上第一個擁有主動冷卻結構的託卡馬克裝置。

2007年，東方超環建成啓動後，一舉成為“ITER計劃”最重要和最先進的試驗裝置。

此後，各國科學家紛紛來我國參與相關科學試驗。

EAST大科學工程管理委員會副主任羅廣南教授説，近年來在我們進行的每一次實驗中，參與的外國研究人員數量都經常超過100人。

有了這樣一個裝置，中國科學家從幾秒鐘做到幾十秒、幾百秒。

這樣的成績來源於中國科學家長期的堅守。有科學家做這樣的試驗已經達到了不下20萬次！可想而知，在這個過程中，他們遭遇了多少次失敗。

除了EAST裝置，中國還於去年5月在合肥啓動了聚變工程實驗堆(CFETR)工程設計，計劃在2050年實現核聚變商業化，完成人類終極能源願望。 

中國聚變工程實驗堆（CFETR）概念圖

然而，中國在可控核聚變方面的快速發展也引發其他國家的擔心。

據《參考消息》報道，很多國家認為，如果中國成為第一個實現聚變技術商業化的國家，那它將在經濟和地緣政治上取得優勢。

ITER項目的其他6個參與方——日本、韓國、俄羅斯、美國、印度和歐盟——甚至討論要把中國踢出這個項目，因為擔心中國將利用從ITER獲得的知識加快中國自己的CFETR建設速度。

可是，如果沒有中國的支持，被多年的延遲和大大超支困擾的ITER將無法繼續下去，而且，近年來中國在該項目中的影響力顯著提高。

ITER的中國籍僱員人員最初在7個參與方中是最少的，如今已經是第二多的，僅次於歐盟。

牛津大學基督聖體學院院長、前英國卡勒姆聚變中心主任史蒂文·考利教授説，對其他國家來説，最好的選擇是接受甚至支持中國領導聚變研究。

當然，無論中國的核聚變發展到了何種程度，均道阻且長，需要國際社會的共同努力，就像中國科研人員所説的，沒有國際社會的共同努力，中國的核聚變研究不會這麼快取得進展。

在可控核聚變磁約束路徑上，現在也並非只有託卡馬克裝置一條技術路線，德國人就一直堅持研究仿星器裝置。

仿星器裝置的思路是美國科學家，普林斯頓大學的天體物理學家斯必澤提出的。

他從恆星的聚變上得到啓發，從理論角度分析了環形裝置（託卡馬克裝置）中磁場的彎曲和內外兩側的不均勻性，將使等離子體向器壁擴張而消失。為了克服這個缺陷，他把環形容器扭曲成8字形。

簡單地説，託卡馬克裝置是一個甜甜圈，而仿星器則是一根麻花。

 

在德國聯邦政府、州政府以及歐盟的共同出資下，德國建起了世界上最大的仿星器裝置實驗室，其仿星器實驗裝置被命名為Wandelstein X-7。

仿星器裝置模型

除了磁約束可以用於研究可控核聚變，我們上文還提到，慣性約束也可以。目前，慣性約束路徑研究進展最快的是美國的國家點火裝置（National Ignition Facility，簡稱NIF）。

 

慣性約束

NIF一開始並非為研究可控核聚變而啓動的。90年代初，蘇聯剛剛解體，美國突然之間失去了頭號對手，花巨資研究核武器技術已經不那麼必要了。當然，美國對不斷提升核武器性能的興趣並沒有減少。

因此，美國開始找尋核試驗替代方案，美國科學家站出來建議，可以用激光製作點火器，起爆微型氫彈。這樣不僅可以低成本地繼續研究核武器技術，而且還可以促進激光技術的研究，為激光武器提供技術基礎。

於是，NIF應運而生。

1994年，能源部撥款啓動了“國家點火裝置”的技術，耗資40億美元，於2010年建成。

從外面望去，NIF是一棟10層樓高的建築物，它長215米，寬120米，大概是三個足球場大的面積。

為了讓微小的靶心發生核聚變反應，NIF利用激光製造的高温，要比太陽內部的温度還要高百倍，實質上就是一個超級複雜的激光光學系統，把激光控制系統做好了，NIF也就基本成功了。

 

NIF內景

當然，對於可控核聚變慣性約束的研究，並非美國一家，我國也有“神光計劃”，在進行可控核聚變慣性約束方向的技術研究。

道路是曲折的，前途是光明的。相比核聚變理論剛提出時，人類經過幾十年的苦心研究， 對於可控核聚變的研究已經取得了很大的成果。

隨着技術不斷被突破，人類離最終掌握可控核聚變技術的距離，還是越來越近。

對於中國的可控核聚變發展，大量科學家堅持不懈的努力也給了我們很大信心，正如中國工程院院士李建剛所説，在我有生之年，如果有一盞燈泡能被聚變之能點亮，這一盞燈泡，一定要也只能在中國。