中国“人造太阳”，人类“不可能任务”的现在进行时

文｜白宁

历史早已明示，凡涉及能源走向的问题，都不是小问题。可控核聚变的每一个进步，都在推动人类向着梦幻中的未来前行，一步可跨千里。

在安徽省合肥市西郊，有一座三面环水的小岛，合肥人习惯称之为“科学岛”。东方超环就坐落在这里，它被称为“世界聚变工程的非凡业绩”“世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑”。图为通往科学岛的公路

《三体II》中，故事的主人公罗辑从长达185年的冬眠中醒来的第一天，因为一只热牛奶的杯子激动不已——只需要推动这个杯子底部的一个滑动按钮，它就能自己加热到想要的温度，然而杯底与杯子是一体的，除了那个滑动开关外没有外接装置，包括充电口。那么，杯子如何充电？难道是永动机？这个人类自古以来的梦想之物终于发明出来了？不过很快，罗辑就失望了。新的世界里并没有永动机，无所不在的电来自电磁波，用电设备可以通过天线或磁共振线圈完成充电。

这种技术，现在我们称为“无线充电”，是一种无论在小说还是真实世界里都已不罕见的技术。之所以没有普遍使用，是因为这种供电方式损耗太大，发射到空间中的电能只有一小部分会被接收使用。那么，为什么在罗辑冬眠醒来的时代，无线供电的损耗就变得可以接受了呢？因为在那个科幻故事中，可控核聚变技术成熟了。这种技术可以通过极少的原料产生巨大的能量，几乎相当于一种无限的能源。

而罗辑的失望之处在于，即便在他冬眠之前，人类掌控可控核聚变也是迟早的事，只是人类并不像他以为的已经突破了三体人的科技封锁——人类虽然得到了近乎无尽的能量，但也只是“近乎无限”。

这至少告诉了我们一件事：即使在科幻小说的设定中，也认同“可控核聚变≈无限能源”。当然，前提是我们能够掌控它。

2021年12月30日晚，中国科学院等离子体物理研究所爆出了一条核聚变领域的突破性消息：EAST（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak，简写为EAST）全超导托卡马克核聚变实验装置（又被称为“东方超环”）实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

这么一长串数字和专业术语，普通人显然很难理解，可能需要借助别人的解读才能触及重点——“我们已经全面验证了未来核聚变发电的等离子体控制技术，推动其从基础研究向工程应用迈进了一大步。”中国科学院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛在接受记者采访时这样说。

什么是人类的终极能源

20世纪末，国际能源署给能源领域的2000个科学家发了一份调查问卷，其中一个问题是“人类的终极能源是什么”。最终，约20%的人写了“可再生能源”，剩下近80%的回答都是“核聚变”。

首先来看“可再生能源”。能成为人气第二的终极能源候选者，大概和它取之不尽、清洁无污染的特点有很大关系。但无法成为第一候选，主要是因为它能源属性上的缺点：一方面，产能效率太低，低到远比不上化石能源，而在“终极能源”的比拼中，化石能源的产能效率是处于鄙视链中下游的；另一方面，过于依赖自然条件，无法充当稳定的能量来源。

而核聚变作为一种能量来源，无论从哪种角度去看，都堪称完美。如果说，世界上存在一种堪称“终极”的能源，那只可能是核聚变。有人甚至认为，有了它之后，人类不再需要其他任何一种能源。

核聚变的产能方式和目前世界上产能效率最高的核电站类似，也来自“人类可以获得的最大的能量所在”——将质量转化成能量。至于转化的比值，爱因斯坦早在1905年便指明了：E=mc²（E 为能量，m 为质量，c 为光速）。但两者还有微妙的区别：现有核电站的能量均来自核裂变。“聚”和“裂”，这一字之差，也是导致二者在实际效果上差异巨大的根本原因。在原子核的尺度上，无论发生裂变还是聚变，当新原子核诞生时，都伴随着质量的损失和巨量能量的释放。以此为基础，在核裂变的方向上，人类研究出了原子弹，在核聚变的方向上，氢弹得以诞生。

核裂变的原料是放射性元素铀-235，在自然界中极其有限，只占天然铀的0.711%。按照目前人类的总体能量需求计算，如果将供能方式都换成核裂变，不到100年，铀-235就会全部耗尽。而核聚变所需的原料是氢的同位素，大量存在于海水中。假如把整个大海里所有氢的同位素都拿过来进行聚变，产生的能量大概相当于世界石油储能的1000亿倍，可供人类使用几百亿年，这比太阳寿命（50亿年）还高了数倍，是真正用之不竭的能源。

铀-235 是铀的3 种天然同位素之一，是自然界唯一能够发生可控裂变的同位素，主要用作核反应中的核燃料，也是制造核武器的主要原料之一。在天然矿石中，铀的3 种同位素共生，其中铀-235 的含量非常低。只有把其他同位素分离出去，不断提高铀-235 的浓度，它才能用于制造核武器,这一加工过程就是铀浓缩。

另一方面，从理论出发，核聚变的质量损失比核裂变更多，因此核聚变的能量转化效率更高。这也是氢弹比原子弹威力更大的原因。相同质量的原料，聚变反应释放的能量大约是裂变反应的4倍。

此外，核聚变反应物没有放射性，聚变后的产物阿尔法粒子也没有放射性，所以核聚变不会造成污染；又因为核聚变反应发生条件的限制（下文会讲到），发生不可控爆炸的概率被视为0。这一切就意味着，核聚变极其安全——事实上，拥有核聚变实验研究装置的中国科学院等离子体物理研究所，就稳稳当当地坐落于合肥市。

然而，核聚变在人们心中的地位如此崇高，其实并不只是因为它能够提供足够多的清洁能源。任何涉及能源走向的问题，都可能影响整个人类的发展进程。一旦掌握了可控核聚变，人类围绕能源发生的博弈与激烈摩擦，将彻底成为历史；因追求能量而造成的环境污染问题，也会逐渐消失，生态环境将回归理想状态；更重要的是，它是人类进入下个文明阶段的钥匙。

举一个简单的例子，因为目前使用的燃料效能太低，火箭为了飞得更远，只能尽量多带推进燃料，在燃料比重占到火箭总重90%及以上时（比如长征七号火箭起飞总重近600吨，液氧煤油推进剂就占了500多吨），才有希望运送航天器到达月球、火星或金星附近，但也基本被限制在太阳系之内（目前火箭基本都靠化学能产生动力，燃烧剂以煤油、酒精、偏二甲肼、液态氢等为主，并用液态氧、四氧化二氮等提供的氧化剂助燃）。

从效能的角度来看，1克氢的同位素如果完全聚变，释放出的能量和8吨左右航空煤油（航空煤油的热值为42兆焦/千克）的能量相当。也就是说，粗略计算的话，如果使用核聚变供能，长征七号火箭需要的燃料重量只有50克，而飞行器只需要携带极小质量的能源，就可以在宇宙中任意翱翔，这也是人类实现宇宙旅行的基本要求。

核聚变反应示意图

1964年，苏联天体物理学家尼古拉·卡尔达舍夫提出了一种划分宇宙中文明等级的方法，其标准是文明所掌握的能量的等级。I型文明：掌握文明所在行星以及周围卫星能源的总和；Ⅱ型文明：掌握该文明所在的整个恒星系统（太阳系）的能源；III型文明：掌握该文明所在的恒星系（银河系）里面的所有能源，并为其所用。根据这个标准，很显然，目前人类连I型文明也没达到。而可控核聚变，正是人类触摸宇宙文明门槛的最低要求。

再退一步看，原始文明以万年为单位，农耕文明以千年为单位，机械文明以百年为单位，信息文明则以10年为单位。每一级文明的成功跃迁，都需要依靠超指数级别的能量和资源供给。在现有能源可大规模开采利用的时间只剩短短百年的前提下，如何保证文明不发生倒退？目前来看，可控核聚变是唯一的途径。

ITER 计划：一个联合世界超50%人口的大项目

对人类而言，作为一种产能方式，核聚变虽然近乎完美，却还是有一个缺点——实在太难掌控了！

原子弹试爆成功9年后，人类就掌控了核裂变的能量，并用于发电。相比之下，自1952年第一颗氢弹试爆成功开始，人类就踏上了可控核聚变的研究之路，可直到60多年后的今天，依然无法掌控这种巨大的能量之源。这难道是因为核聚变物理学家没有核裂变研究者聪明吗？当然不是，实在是因为控制核聚变这件事太难。

初中物理告诉我们，物质有3种基本形态：固态、液态和气态。其实当物质的温度高到一定程度后，就会处于等离子态，这时电子会和原子核分开，处于游离状态的原子核就可以互相接近，开始核聚变反应。利用高温产生等离子体，让它们进行核聚变反应，正是目前物理学家想到的可控核聚变的解决方案。

那么，所谓的高温具体要高到什么程度呢？基本要达到1亿摄氏度（以下简称度）。1 万度是自然界材料可以承受的温度上限，这种比1万度还高，高到1万倍的极度高温，目前没有任何材料可以直接承受。

但只是达到高温还不行。在高温的前提下维持足够长的时间（即约束时间），聚变反应放出的能量，才能高于产生以及加热等离子体本身所需的能量，实现自持聚变，也就是点燃了“烧”聚变原料的特殊“炉子”，“聚变点火”成功。这个过程，被网友生动地称为“烧开水”。根据劳森判据（即维持核聚变反应堆中能量平衡的条件），三重积（3个向量相乘的结果，这里指温度、约束时间和密度的乘积）的值需要大于1022倍，“聚变点火”才能实现。什么材质的“炉子”才能长时间维持1亿度的高温？这简直无法想象。

不过最终，人们还是找到了一种方法，即托卡马克（Tokamak）装置，一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。Tokamak 一词来自俄文单词环形、真空室、磁和线圈的缩写。这一装置的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。通电之后，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，可以将其中的等离子体加热到很高的温度，触发核聚变。

提出这个装置构想的是苏联人。1958年，苏联建成世界上第一个托卡马克装置T-1。此后，分别于1965年、1968年正式发表了T-1的第一批和第二批实验结果，数据远远好于当时世界上其他所有核聚变研究装置的实验数据。为了证明自己数据的真实性，苏联人邀请英国科学家独立诊断、测量参数。没想到，英国人测出来的数据比苏联人自己测出来的还高。这开启了聚变研究的托卡马克时代，从此，全世界的磁约束核聚变研究都开始沿着这条道路前行。

20世纪90年代，美、欧、日先后做了3个大的托卡马克装置（美国于1982年建成TFTR、 欧洲于1983年建成JET、日本于1985年建成JT-60），都能在三五秒内维持核聚变反应，且可重复。这意味着，科学上的可行性在实验中得到了验证。

不过，不论是从经济投入还是从科学难度而言，核聚变研究都是一个极其困难的项目，不是单个国家能独立承担得起的。比如，日本1985年运行的JT-60，就耗资2300亿日元，这相当于当时的153亿人民币。于是，在核聚变研究领域，人们开始寻求国际合作。1985年，苏、美两国联合欧、日，发起了“国际热核聚变实验堆计划”（International Themonuclear Experiment Reactor Project，简写为ITER 计划）。不过ITER计划启动没几年，苏联因故退出了研究。而美国因为经济衰退，以及昔日竞争对手的缺席，先是以这项研究过于烧钱为由，缩减了预算，后来干脆也直接退出。反而是一开始在ITER 中没那么核心的欧洲和日本坚持了下来。

到2006年，中、美几乎同时加入（相差一天）ITER，随后俄、韩、印也宣布加入，一个全新的“ITER 计划”就此诞生。不过，之后因为种种原因，计划又一再延期，也因此引起了国际上关于“聚变三五十年就实现”的调侃：30年前就说“聚变三五十年就实现”，30年过去了，还是说“聚变三五十年就能实现”。

目前，参与ITER 的国家已经有35个。这35个国家的人口占了世界人口的一半以上，财富占比则在80%左右。一个科技项目能联合如此巨大的力量，堪称人类历史上的一个创举。ITER 也成为21世纪最为雄心勃勃的能源科技合作项目。这一项目预期将持续30年：10年用于建设，20年用于运行；预计将耗资100多亿欧元，目标是建成一个高30米、直径30米、重达2万吨、输出功率50万千瓦的庞然大物。

ITER 聚变反应堆托卡马克装置的核心部分示意图

目前，ITER还处于建设阶段。2020年7月28日，ITER 正式进入最后5年组装阶段。截至2021年5月，第一等离子体的完成率接近75%，并将于其后数年开始尝试启动反应堆，预计

人类“种太阳”的梦想

于2025年正式开始等离子体实验。

各国在ITER 计划上展开合作，同时也都在这个项目的引领下，进行自己国家的核聚变研究。因为核聚变也是太阳能量的来源，核聚变研究装置又被称为“人造太阳”，建造这类装置也就有了一个生动的称呼“种太阳”。

目前，美国、日本、欧盟、韩国等都有各自的“人造太阳”，我国也已经“种”下了自己的“太阳”。在正式签约加入ITER计划那一年，也就是2006年，我国完成了对“人造太阳”的全新升级——EAST 全超导托卡马克核聚变实验装置（东方超环），它同时也是ITER 的众多引导装置之一。

从起步时间来看，我国的受控核聚变研究与国际几乎保持了同步。1955年，钱三强和刚留美归来的李正武等科学家便倡议在我国开展“可控热核反应”研究，以探索核聚变能的和平利用。

1965年，我国在四川乐山的郊区建立了当时中国最大的核聚变研究基地，即今天的核工业西南物理研究院。20世纪80年代，四川作家莫然曾造访位于108级石梯之高的荒山上的研究所。她回忆，所里条件简陋，研究者只能睡在帐篷里，可谓一贫如洗。不过直到20世纪90年代，我国才有机会发展自己的托卡马克。

“20世纪90年代，在苏联解体之前，苏联人打算把一个名为T-7的半超导托卡马克装置赠送给其他国家，然后他们自己做一个更大的。我们的老所长霍裕平对苏联专家说，那就送给我们吧。”中国工程院院士、中国人造太阳项目的学术带头人之一李建刚回忆道。

借由苏联人的装置，我国开启了托卡马克的研究，并开始自主设计、建造、运行核聚变实验研究装置。此后，我国的核聚变研究突飞猛进，也培养了一大批自己的核聚变人才。在此基础上，才有了2006年的东方超环。

我国核聚变领域的飞速发展正是世界核聚变研究的一个缩影。近些年，磁约束核聚变领域一直处于飞速发展中，基本每18个月，三重积就会翻一倍。这个速度比芯片行业每两年翻一倍的摩尔定律还要快，却完全没有芯片行业高速发展的既视感——在指数级的数据差面前，再快的速度也如同爬行。

那么，现在核聚变领域具体做到什么程度了呢？

目前，温度达到上亿度已经没有问题，极短时间内，最高温度甚至能达到三四亿度。但一项技术如果想要商用，只是达到某个标准还不行，还需要看能耗比，即Q 值（产生能量和消耗能量的比值）。核聚变反应产生的能量大约有1/5可以利用，也就是说，Q 值必须大于5，消耗的能量和获得的能量才平衡。再考虑到能量形式转换过程中的损失，国际上公认的能量收支平衡点是Q 值必须达到10以上。而要使核聚变发电具有商业竞争力，Q 值就需要达到30甚至以上。

目前，核聚变装置输出功率的世界纪录是16兆瓦，和一个小型发电站的功率相当。但是为了达成16兆瓦的输出，维持磁场所需的功率要将近680兆瓦。算起来，这笔买卖实在是太亏了。怎么样才能让它减少消耗呢？在导体中，消耗的功率等于电流的平方与电阻的乘积，而当温度降到-269℃时，导体会进入超导状态，电阻也就消失了，这样就可以最大限度降低消耗的功率。

所以，从工程可行性上讲，做超导是核聚变实验的一个必需阶段。

于是在2000年，我国为托卡马克研究装置升级时，就选择了这种组合——历时6年建成的东方超环是超导和托卡马克的结合体，这也是世界上诞生的第一个全超导托卡马克装置，首次将-269℃和上亿度放在一起进行核聚变研究。

但是，怎样才能兼容-269℃和上亿度这两种如此极端的温度呢？东方超环的解决方式是设置了5层保温层，每层都以特殊处理进行隔热和降温。最核心的温度达到上亿度，在进行真空隔断后，外侧的温度就只有几千度。这个温度，一些特殊材料就可以承受了。接着从几千度继续逐层下降到-269℃，这样层层过渡，就实现了上亿度到-269℃的有机结合。

而在投入巨大人力、物力推进可控核聚变的进程中，受惠的其实不仅是核聚变领域。核聚变研究中应用的各方技术都代表着目前人类科技的最高水平，这些技术一旦转化到其他产业中，也会带来巨大的提升，为全人类服务。

比如，在此期间，我国的制造业就实现了飞跃。以承接了“ITER 磁场线圈超导线材”中国采购包任务的“西部超导”公司为例，这个公司“不仅以高质量（按照ITER国际标准）按时完成了任务，而且几乎再造了我国的超导工业：从一个几十年才生产了三十几千克超导材料的事业单位，发展成一个年产几百吨的国际一流超导材料企业。不仅为核聚变研究做出了贡献，而且为我国加速器制造、核磁共振装置制造等先进制造业提供了支撑”。

再比如，医院里的核磁共振就是使用超导技术做成的。之前的超导线材都从国外进口，现在大部分都是国内自己的企业在做，其中将近一半就出自西部超导。而欧盟在ITER 的项目中承担的磁场线圈超导材料的招标项目，中标的也是中国企业。值得一提的是，其间，中、美、日的企业都参与了招标，中国企业的报价也并不低，甚至比以高价著称的日本企业还高了不少，也就是说，它纯粹是因技术以及施工质量取胜的。

“种下”的太阳什么时候成熟？

再说回核聚变实验。由于现在核聚变领域三重积与“点火”之间的目标差距依然是指数级的，单纯追求三重积没有多大意义，所以，世界范围内的核聚变研究都在追求单项能力的爬升，等各项能力完善之后，才能实现整体突破。

目前，数据上表现不错的核反应装置有：

——欧洲JET。托卡马克Q值的世界纪录0.67的保持者，纪录诞生于1997年。

——日本JT-60。等离子体温度的世界纪录5.22亿度的保持者。1997年12月，日本声称在JT-60上实现了Q值1.25，三重积达到1.5×1021，但是不可重复，而且其中发生聚合的是条件较苛刻、效能较低的D-D 反应（国际可控核聚变研究的主流是D-T 反应），这也导致这次数据的价值大打折扣。因此，大部分人认定的托卡马克Q 值纪录依然是欧洲JET 的0.67。JT-60于2010年被拆卸，在此基础上升级的JT-60SA（超导型托卡马克）还在建设中。

——韩国KSTAR。2020年11月23日，韩国聚变能源研究所宣布KSTAR将等离子体在高达1亿度的高温下维持了20秒，创造了当时的世界纪录。

——美国NIF。2021年8月8日，美国NIF的激光脉冲（1.9兆焦）引发了燃料丸的核聚变爆炸，虽然只持续了百亿分之一秒，但是依然产生了超过1.3兆焦的能量，是NIF 过去制造能量的8倍。

——中国EAST。2020年4月，东方超环在1亿度的高温下维持了近10秒。7个月后，这一纪录被韩国的KSTAR 打破。2021年5月28日，东方超环实现了可重复的1.2亿度、101秒等离子体运行和1.6亿度、20秒等离子体运行。2021年12月30日，实现 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行。

想要了解这些数据的意义，可以与东方超环最初设置的目标做个对比：通过极向场超导磁体，可以产生超过100万安的等离子体电流、在高功率加热下温度超过1亿度、持续达1000秒。为什么时间要设置为1000秒？因为“大约所有的反应在持续时间达到100秒的时候就基本稳定了，而从科学家的角度说，将这个时间尺度再拉长10倍，就达到了稳态”。此轮实验从2021年12月初开始，到2022年6月结束，有更具突破性的数据表现。仅截至目前，东方超环已经分别实现了100万安、1.6亿度、1056秒等条件下的等离子体运行。

此时，重读文章开头中国科学院等离子体物理研究所所长宋云涛的话，可能会有更深的体会：我们已经全面验证了未来核聚变发电的等离子体控制技术，推动其从基础研究向工程应用迈进了一大步。当然，这并不意味着核聚变的商用一定会在“三五十年”内实现。但至少，当我们在讨论核聚变参与人类未来的可能性时，多了一些确定性。

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