揭秘“人造太陽”

新一代可控核聚變研究裝置“中國環流器二號M”，預計於2020年投入運行。該實驗裝置的建成將為可控聚變能開發提供重要技術支撐。我們距離“人造太陽”的夢想，又近了一步。

從“進口”上説，當前可控核聚變所需的反應原料（氘和氚），在地球上“儲量”非常豐富。氘大量存在於水中，每公升水可提取出約0.035克氘，通過聚變反應可釋放相當於燃燒300公升汽油的能量；氚由於半衰期較短，在自然界中儲量有限，但其可通過中子轟擊鋰來製備，而在地殼、鹽湖和海水中，鋰都是大量存在的。

從“出口”上説，可控核聚變的產物為氦和中子，不排放有害氣體，也幾乎沒有放射性污染，具有環境友好的優點。

不僅清潔、燃料資源豐富，可控核聚變還有另一個重要特點：固有安全性。核聚變反應需要氘氚燃料達到上億攝氏度的高温和足夠高的密度等苛刻條件，任何一點細微條件的缺失，都會導致温度密度的下降，致使聚變反應停止。另外，由於聚變堆中燃燒的氘氚等離子體被磁場約束在真空容器內，其密度比空氣低數個量級，因此不會引起爆炸，也不會導致泄漏事故。

核聚變能一旦實現商用，地球上的能源將取之不盡用之不竭，因能源消耗帶來的環境問題及能源短缺帶來的社會問題有望得到根本解決，人們的生活和科技水平也將因此而得到極大提高。像海水淡化、星際飛船這類因耗能巨大而令人們猶豫不決、望而卻步的工程，未來均有望在可控核聚變能的支持下得到更快發展。

理想很美好，實現起來並不容易。一個最明顯的問題，就是用什麼容器來承載極端高温的聚變燃料。

從20世紀50年代開始，英、美、蘇等國科學家前赴後繼，快箍縮、磁鏡、仿星器等不同的技術路線此消彼長。競爭延續到了1960年代，最終由蘇聯科學家提出的託卡馬克裝置異軍突起，達到的參數效果驚人，國際聚變界的重點研究方向隨之轉向了託卡馬克。

當世界多國在秘密開展可控核聚變研究的同時，中國“人造太陽”的建設也沒有掉隊。早在1955年，錢三強和剛留美歸來的李正武等科學家便提議開展中國的“可控熱核反應”研究，這與國際社會關注核聚變幾乎同步。

1965年，根據國家“三線”建設統一規劃，在四川省樂山市郊區，建立了我國核聚變研究基地——西南物理研究所，這也是中核集團核工業西南物理研究院（以下簡稱“核西物院”）的前身。

自此以後，我國先後發展了多種類型的磁約束聚變研究裝置，如脈衝磁鏡、角向箍縮裝置、仿星器、超導磁鏡、反場箍縮裝置和託卡馬克。

1984年中國環流器一號（HL－1）的建成，是中國核聚變研究史上的重要里程碑，也是中國可控核聚變領域的第一座大科學工程裝置，它為中國自主設計、建造、運行聚變裝置培養了大批人才，積累了豐富經驗。

從此，中國磁約束聚變一步步從小到大，從弱到強。1995年中國第一個超導託卡馬克裝置HT-7在合肥建成；2002年中國建成第一個具有偏濾器位形的託卡馬克裝置中國環流器二號A（HL－2A）；2006年，世界上第一個全超導託卡馬克裝置東方超環（EAST）首次等離子體放電成功……

而預計2020年投入運行的“中國環流器二號M”裝置將成為中國規模最大、參數最高的磁約束可控核聚變實驗研究裝置，由於HL-2M裝置採用了更先進的結構與控制方式，其等離子體體積為中國現有裝置的2倍以上，離子温度將達到1億攝氏度以上，可將電流從中國現有裝置的1兆安培提高到2.5兆安培以上。它將為我國培養聚變堆實驗運行人才及自主設計、建造未來聚變堆提供重要技術支撐。

世界上第一顆原子彈爆炸以後，不到十年人類就實現了核裂變的和平利用，建成了核電站。科學家們想，氫彈成功以後，應該也用不了多長時間就能夠實現核聚變的和平利用，可以實現可控核聚變。後來的研究發現，並沒有那麼簡單，它需要集世界的科技力量一起來努力實現。

集中全世界在磁約束核聚變領域的科技力量和50餘年的技術成果，以驗證可控核聚變科學和工程技術可行性為目標的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃於2006年簽署，標誌着ITER計劃正式啓動。該計劃由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度七方參與，在法國南部普羅旺斯地區共同建造一個世界上最大的託卡馬克裝置。ITER也是目前全球規模最大、影響最深遠的國際合作項目之一，也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。

中國的加入促進了ITER計劃更好地實施，同時得益於參加ITER計劃，我國在可控核聚變領域的研發和技術水平也取得了長足進步。通過不斷深化國際合作交流，汲取國際可控核聚變實驗裝置設計、建造、運行已有的成功經驗，補強短板，針對當前關鍵技術壁壘，探索創新，攻堅克難，不斷實現突破，我國可控核聚變已逐漸由跟跑轉向並跑，部分技術達到國際領先水平。

在ITER採購包研發方面，中國承擔了大概9%的18個子任務，基本覆蓋了ITER核心部件。目前，我國承擔的ITER採購包任務進展順利，取得了一系列技術突破，成果豐碩。核西物院承擔的ITER第一壁採購包半原型部件是中國團隊承擔的一項高難度任務。當時世界上能夠滿足ITER第一壁特殊材料要求的只有美國。科研團隊聯合國內有關單位通過十多年的不懈努力，不僅在特殊材料的製備上，而且在焊接工藝等多項技術上取得了重要突破，成功研製的ITER超熱負荷第一壁半原型部件於2016年率先通過國際認證，這標誌着我國該項技術已達世界先進水平。

作為聚變堆堆芯的核心部件之一，ITER產氚實驗包層模塊需要實現中子屏蔽、產氚和能量提取的功能，是實現聚變堆氚自持和發電的關鍵部件，其設計和製造均面臨着巨大的技術挑戰。經過十餘年的研發攻關，由核西物院牽頭負責的中國氦冷固態產氚包層系統（HCCB TBS）項目在ITER計劃各方中率先完成概念設計評審。

目前中國承擔的ITER採購包，無論是在研發進度還是在完成質量方面，都處於七方的前列。在國際聚變舞台上，中國有了更大的話語權。

國際對中國可控核聚變實力的認可度還在不斷提升。2019年9月，中核集團牽頭的聯合體成功中標ITER主機安裝一號合同（TAC1），這是有史以來中國企業在歐洲市場中標的最大核能工程項目合同。該工程安裝的是ITER裝置最重要的核心部件，其重要性相當於核電站的反應堆、人體的心臟。安裝工程囊括了ITER杜瓦結構及杜瓦結構和真空容器之間所有的系統，對精度要求極高，以吊裝杜瓦底座為例，該底座重量超過1000噸，而就位偏差要求不超2毫米，工程難度非比尋常。通過國際競標拿到ITER項目最核心部分的安裝工程，是國際專業機構對我國核電工程能力的高度認可，同時也標誌着我國在該領域的相關技術在已步入世界先進水平。

進入2020年，國內參數最高的可控核聚變實驗裝置HL-2M運行在即，ITER主機安裝和各項採購包穩步推進，可控核聚變關鍵技術不斷獲得突破，人類距離“人造太陽”閃耀在東方又近了一步。