“人造太阳”如能永耀，人类将彻底解决能源问题

刘远举

研究聚变的物理学家中流传着一个很久的笑话：新闻界又开始报道核聚变技术要在30年后进入实用阶段、核聚变工厂即将开工的消息了

2021年5月28日，中科院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，该成绩打破了2020年年底韩国创造的1亿摄氏度20秒的纪录，将时间延长了5倍。科研人员称新纪录进一步证明核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定物理和工程基础。这是人类掌控核聚变的又一次成功突破。

核聚变，指轻原子核，例如氢的同位素氘和氚，聚合为较重原子核，例如氦。聚变过程，会损失一定质量，根据爱因斯坦质能方程，这些质量会转变为巨大的能量。热核聚变是宇宙中的常见现象，太阳就是一个巨大的热核聚变反应炉。

人类对核聚变认识，差不多有100年了。1932年，马克·奥利芬特完成了氢同位素的实验室聚变。20年后，1952年，氢弹试验成功。氢弹是人类历史上第一次利用核聚变。不过，这种方式是剧烈的、不可控。其实，单单可控，人类也能做到，但这样的聚变反应，输入能量大于输出能量，得不偿失，而且时间也极短，所以，不能用来发电。要想聚变被用来发电，不但要可控，还要输出能量大于输入，并且持续、平稳。

太阳的聚变反应，靠重力约束，但仍然需要巨大的空间，才能容纳这样一个高温物体。太阳表面的日珥，高于日面几十万千米，而地球的直径才1.2万多千米。即便如此，没有磁场、大气层的保护，地球生物仍然承受不了太阳核聚变所发射的射线。显然，地球上没有那么大空间，要想实现大规模的聚变，还得想其他办法。

核聚变发生时，是等离子状态，温度达到几千万度甚至几亿度。没有任何容器可以承受这样的高温。那么，一个思路就是用一种无形的力去约束等离子体。人类想到的办法是磁场。

从1940年代末起，各国对聚变发电可行性展开了大量研究，投入大量的人力与经费，开发了多种磁笼。到了1970年代，苏联科学家伊戈尔·塔姆、安德烈·萨哈罗夫和列夫·阿齐莫维齐等人在1950年代发明的“托克马克”（Tokamak）逐渐显示出了优势，并在1980年代成为聚变能研究的主流。托克马克的中央是一个环形真空，外面围绕着线圈。通电时其内部会产生巨大螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高温度，并加以约束，达到受控核聚变的目的。

此次合肥的EAST于2000年开建，2006年建成，是由中国自行设计研制的，又被称为东方超环。EAST的一系列里程碑成果表明，中国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面，开始引领国际前沿。

不过，核聚变所要求的技术、资金、人力是如此之大，往往是一国所难以独力承受的。

1970年代后期到80年代中期，美国、日本、俄罗斯、欧洲陆续建成了五个大型的托卡马克装置。1985年，里根-戈尔巴乔夫倡议苏联、欧盟（通过欧洲原子能共同体）、美国和日本平等地参与建设ITER。2006年5月24日，欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方代表草签了一系列相关合作协议，标志着这项计划开始启动。ITER是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，也是国际科技合作史上前所未有的。它的建造周期很长，计划耗资五十亿美元（1998年值）。

需要指出的是，ITER的目标是实现氘氚放电自持300-500秒，预期功率到500MW。但这仍然是一个实验，离商业化还非常遥远。

可控聚变被认为能为人类带来无限的清洁能源，远景规划非常诱惑人。然而，遗憾的是，过去几十年，在投入了无数资金之后，科学家取得的成就非常有限，实用性的商业价值，还遥不可及。研究聚变的物理学家中流传着一个很久的笑话：新闻界又开始报道核聚变技术，要在30年后进入实用阶段、核聚变工厂即将开工的消息了。

媒体难免夸张，是因为前景太过美好。

人类的工业历史，无非是挖矿、种植，得到原材料，然后引入能量制造产品。挖矿本身需要能量，而种植无非是把太阳能变为碳的化合物。所以，人类的生活本质上是由利用能量的程度决定的。而核聚变，可以提供廉价、清洁的能源，一旦实现，势必从根本上改变我们的生活。

比如，一些高耗电的行业就没有了电力的限制，势必会发生变革，例如钢铁、化工等产业。电力成本降低，整个产品成本也随之降低。而煤炭、原油行业，逐渐被替代，地球环境也会更好。再比如现在的电动汽车被一些人溢美为“新能源车”，但有的能源的来源一点都不新，电力仍以化石燃料为主。只有当可控核聚变真正占据能源供应的主流时，以此能源的新能源车才实至名归。

前景如此美好，人类翘首以盼，但前路遥远，道阻且艰，还有待科学家的努力，探索那无尽的前沿。

（作者系上海金融与法律研究院研究员）