“东方超环”，离“无限”能源更近一步

一只大黑猫

未来社会的“主流”能源

目前人类社会使用的主要能源，依然是化学能——燃烧石油或者煤炭所产生的能量。但是无论石油还是煤炭，资源总有枯竭的一天，而核能，则可能是继化学能之后，人类社会最主要的能源。现在人类所能掌握的可控核能转化技术是核裂变，但是裂变反应后会产生放射性核废料，具有一定风险，远有切尔诺贝利，近有日本福岛，往往都让人谈“核”色变。

与之相对的是核聚变。在《流浪地球》中，“烧石头”的行星发动机采用的正是核聚变技术，而在现实中则是利用从氢的同位素氘和氚实现核聚变。比起核裂变，核聚变技术就安全许多，氘氚核聚变产物主要是没有放射性的氦和中子，因此是一种清洁能源。而且从理论上来说，每一升海水提取的氘，通过核聚变能释放相当于300升汽油燃烧的能量。因此，核聚变被认为是未来彻底解决人类能源问题的重要途径。

核聚变反应原理

困难的“可控”

然而，实现聚变并不容易。由于原子核都带正电，相互间有强大的电斥力，必须为它们提供巨大的动能，才能让它们克服斥力发生碰撞，进而在强相互作用力的影响下聚合。而且，原子核碰撞后聚变的概率也不高，只有让含有海量数字原子核的等离子，在一定单位的空间里密集聚集，才能维持稳定的核聚变反应状态。上面那句话，说得更直白一些就是要让等离子体获得稳定的的高温、高压和占据适当的体积。

恒星都是典型的天然核聚变“反应堆”，它们自身有着庞大的体积与质量，并通过万有引力实现聚变。以太阳为例，其内部温度高达1500万摄氏度，压力高达3000億个大气压，这保证了它能在数十亿年的时间里，稳定地将光和热散发到宇宙中。

我们要造的核聚变反应堆，自然不可能有恒星那样巨大的体积，因此维持核聚变需要更高温度和压力。人类现在可以通过原子弹爆炸产生的超高温高压环境来实现核聚变，并由此制造出了武器——氢弹。但难就难在“可控”两个字上，氢弹爆炸瞬间中心温度可高达2亿摄氏度，任何固体都不能承受这样的高温，因此这种聚变也无法稳定控制。人们想出的解决方案，就是用没有实质的“场”来对聚变反应的中心进行约束。目前科学界具体有两种不同思路：

惯性约束

用大功率激光照射聚变燃料靶，让聚变燃料向内压缩，迫使聚变燃料中的原子核在自身惯性作用下，在极短时间内迅速积聚并加热到极高温度，从而发生聚变反应。

磁约束

利用原子核带电的特点，由电磁力来约束和加热。由于电磁场可以保持长期稳定，目前学界多数科学家认为，磁约束是较易实现稳定可控核聚变的方式。

以人类现有技术水平，上述两种思路都还不成熟，无法投入实际商业化运用。而“东方超环”就是采用磁约束控制的实验装置。

精密的“磁笼”

磁约束的原理是带电粒子在磁场中运动时，会受到电磁力作用发生偏转。只要用磁场设计出合适的“磁笼”，就能让粒子像在操场上跑步一样沿闭合轨道环形运动。这样不仅能避免上亿摄氏度的高温等离子体接触固体的反应堆外壳，还能通过磁场的脉冲变化，像微波炉一样对等离子体进行加热，从而实现核聚变的持续可控化。

理论听起来很简单，但等离子体由海量原子核和电子构成，这些带电粒子还会随温度和压力的变化，不断改变速度和运动轨迹。因此要实现稳定高温，必须先获得足够强的磁场和对其精密控制，各种磁约束装置在设计和制造上都有很高的难度。

以“东方超环”为例，它实质上是由磁体、等离子体容器以及外围设备构成的“磁笼”。

磁体

由超导体材料制成，有环形以及“D”形，通过高精度可靠电源供电后生成强磁场。

等离子体容器

容纳等离子发生反应的设备，需要维持很高的真空度，并需要有承受中子和失去约束的原子核轰击的强度。

“磁笼”示意图

漫长的征程

早在20世纪50年代，关于磁约束可控核聚变的研究就开始投入实验，但几十年来，这个技术仍然一直停留在实验阶段。这是因为要让氘氚聚变发电真正的实用化，且具有较高的经济性，就需要可控核聚变反应达到更高温度和更长持续时间，这对装置性能提出了新的要求，如需要磁场更强的超导磁体等。因此每一次反应温度的提高，或者每一秒持续时间的延长，其背后都需要全世界相关的研究机构，以及成千上万的科技人员攻克无数的难题。“东方超环”在这方面取得的历史突破，在2019年10期杂志中有过详细介绍，在此不再赘述。而这次的1亿摄氏度下维持10秒钟的聚变反应，虽然离技术实用化依然遥远，但仍然是一次重大突破。

值得一提的是，从2017年起，中国启动了完全自主的聚变工程实验堆（代号CFETR）计划。计划2021年开始建设，2035年完成并投入实验，2050年建设商业化的示范聚变反应堆，这也是国内科学家为最终解决能源问题规划的路线图。“无限”能源征程依旧漫长，未来让我们拭目以待。