新一代人造太阳为长距离太空旅行带来新希望

文/兰顺正

2023 年8 月25 日，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100 万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录，此次成功不但是中国核聚变能开发进程中的重要里程碑，对于人类长距离太空旅行也有着不小的意义。

太空旅行的理想动力源

自核能被发现之日起，就一直被视为是航天器最为适合的“心脏”，可以帮助人类遨游星海。现在的太空核动力技术主要包括放射性同位素电源、核反应堆电源及核推进技术。放射性同位素电源功率小，通常在几十瓦到数百瓦之间，可为执行太空探索任务的航天器及其科学设备长期提供电能和热能。核反应堆电源功率较大，可提供千瓦级电力，适合于功率需求较大的太空探索任务和航天器。

而核推进分为核热推进和核电推进。其中核热推进（即核火箭发动机）利用核反应堆产生的热能把工作介质（推进剂）加热到很高的温度，然后将高温高压的工作介质从喷管高速喷出，从而产生巨大的推力。核电推进（即核电火箭发动机）则是把核反应堆的热能转换成电能并把电能提供给电火箭，使推进工质（如氙）电离并加速，最后成为等离子体状态的推进工质从喷管高速喷出，产生可达“牛顿”量级的较大推力。

核反应堆是长距离核动力太空旅行的关键。目前，可控核裂变反应堆技术条件成熟，已经大规模商业化，其原理是由重的原子核（主要是指铀核或钚核）分裂成2 个或多个质量较小的原子，并在这个过程中释放出巨大能量。核裂变反应堆的优点是反应条件较低，比较容易实现，缺点是反应后的核废料放射性极强并难以处理，安全事故的后果很严重等。

▲ 我国的嫦娥四号月球探测器就装有放射性同位素电池

▲ 俄罗斯正在研制的“宙斯号”核动力太空拖船

▲ 在环流器中进行核聚变示意图

而核聚变反应是将2 个小质量的原子聚合成一个较大的原子，释放出巨大能量，太阳的能量也是源于此。核聚变产生的能量是核裂变的3～4倍，其反应原料就是氢的同位元素氘和氚，这两种元素在海水里面就有很大的存量，可以说是取之不尽、用之不竭。同时核聚变反应不排放碳，也不会产生任何长期放射性废物，对环境很友好。而且核聚变更加安全，因为一旦发生故障，反应就会自行熄灭，所以是人类未来的理想能源，也是今后大型长距离飞行航天器的首选“引擎”。

漫长却可期的“人造太阳”

不过，虽然核聚变的优势十分突出，但发生过程却极为困难。由于原子核的结构很坚固，想让两个原子结合就必须突破原子核结构的屏障，因此需要用特别高的速度进行碰撞，而产生高速的条件就是需要高温。以太阳为例，它之所以开启核聚变是因为其质量大、引力强，强大的引力进而导致压力大，压力大则产生了高温。但地球上并不具备这样的环境，所以就需要人工升温，并且这个温度值至少要1 亿度以上。而要让核聚变更好地造福人类，必须让其聚变过程变得可控（氢弹就是典型的不可控核聚变），降低剧烈程度，达到能量的逐步可持续释放。

▲ 1984 年建成的中国第一座人造太阳装置“中国环流一号”

研究表明，核聚变的反应物在极高温下会完全电离，变为一团由裸露原子核和自由电子组成的电离气体，即等离子体。只有让这些等离子体运动起来，才能实现持续的核聚变反应。而约束这些等离子体有3 种方式，太阳的核聚变是靠重力约束实现的，另外两种就是以高功率激光作为驱动器的惯性约束和磁约束。

▲ 一名技术人员在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室国家点火装置的前置放大器支持结构内

其中，激光惯性约束核聚变使用极其强大的激光器来产生核聚变，即使用激光以高速率压缩和加热含有氢和氚的燃料颗粒，从而产生聚变，犹如用激光引爆一颗颗微型氢弹。如在过去几十年，美国一直尝试用高能激光轰击核聚变材料，借助激光产生的高温高压实现核聚变。2022 年12 月5 日，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）将2.05 兆焦的激光聚焦到核聚变材料上，产生了3.15 兆焦的能量，能量增益首次大于1，达到了“点火”标准。

磁约束核聚变则让核聚变产生的等离子体置身于有磁场的空间，带电的原子核与电子在垂直于磁场的方向上不再自由，受到磁场作用力的带电粒子只能沿着磁场方向做螺旋运动，这种磁场可以把炙热的等离子体托举在空中。20 世纪50 年代，苏联科学家提出一种名为“托卡马克”的环形磁约束聚变装置，这是一种形如面包圈的环流器，依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器内，以此实现核聚变反应。

而可控核聚变同样是中国核能发展“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略体系的重要组成部分，是解决国家能源需求、助推“双碳”目标实现、促进能源新体系构建和保障国家能源安全的关键科技变量。

据悉，此次运行的是磁约束核聚变中的高约束模式，这是一种典型的先进运行模式，被选为正在建造的国际热核聚变试验堆（ITER）的标准运行模式，能够有效提升等离子体整体约束性能，提高未来聚变堆的经济性，相较于普通的运行模式，其等离子体综合参数可升高数倍。

同时，此次实验还突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题，标志着中国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。报道指出，未来在此基础上，新一代人造太阳“中国环流三号”团队，将进一步发展高功率加热和电流驱动、等离子体先进运行控制等核心技术，实现堆芯级等离子体运行，研究前沿聚变物理，为中国开展聚变燃烧实验、自主建造聚变堆奠定坚实基础。

虽然现在距离可控核聚变实用还有很长的路要走，但是中国此次所取得的成果无疑让全世界都看到了未来的希望。而可控核聚变技术的进步不但可以帮助人类摆脱能源危机，也必将在人类探索宇宙方面发挥巨大的作用。

▲ “托卡马克”装置

▲ 建设中的国际热核聚变试验堆

▲ “中国环流三号”100 万安培等离子体运行实拍画面