可控核聚變技術是被全人類寄予厚望的未來能源方式，它利用的是太陽燃燒的原理來釋放熱量，因此這類的實驗裝置常被稱作“人造太陽”。
日前，我國有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）又創造了一個世界之最——實現了在7000萬℃的高溫下，長達1056秒的長脈沖高參數等離子體運行。“人造太陽”在如此高的溫度下燃燒意味著什么？可控核聚變要實現了嗎？人類舉例解決能源危機還有多遠？《科技周刊》記者特邀能源領域專家進行解讀。
可控核聚變能爆發出怎么樣的力量？
在自然界中，太陽是典型的核聚變，太陽源源不斷的發出光與熱，很早以前人類就開始探索“人造太陽”，希望解決地球上的能源問題。“‘人造太陽’并不是真的制造出一個自然界的太陽，畢竟以人類的科技手段，還無法做到制造恒星。作為太陽系的中心，太陽之所以能夠持續性地發光發熱，跟其內部不斷進行核聚變反應存在直接關系，而人類就利用這一原理，利用可控核聚變技術設計并且制造出了超導托卡馬克裝置。” 西交利物浦大學化學系丁理峰博士科普，中國“人造太陽“的突破是可控核聚變的探索，進一步向世界證明了核聚變能源的可行性。
“核能包含裂變能和聚變能兩種主要形式，目前受控核裂變技術的發展已使裂變能的應用取得了商用化。” 丁理峰解釋說，現在的核電站可以稱為基于可控核裂變反應的核電站。所謂核裂變就是通過中子轟擊把大質量的原子分裂成小質量的原子和新的中子，產生大量的能量，這樣的反應稱為鏈式反應。”原子彈的原理就是通過不可控核裂變反應，讓能量是在瞬間釋放出來。而人類現在已經掌握了可控核裂變的技術可以讓核裂反應的能量緩慢、可控地釋放出來。
但可控核裂變和可控核聚變是完全不同的兩回事。丁理峰解釋，核聚變是有兩個質量較小的氫原子同位素氘和氚原子進行核聚合反應產生氦原子和大量的能量。這樣的反應在太陽上已經持續了46億年。“我們知道，太陽內部無時無刻不在發生著核聚變，為大自然帶來光和熱。而太陽的光和熱來源于氫的兩個‘同胞兄弟’——氘和氚在聚變成一個氦原子過程中釋放出的能量。可控核聚變的終極目標，就是讓海水中大量存在的氘在高溫條件下像太陽一樣發生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源。”
“因為核聚變反應釋放的能量比核裂變要更大，所以核聚變更難控制。但相對于核裂變而言，核聚變反應不會產生長期且高水平的核輻射，不產生核廢料，而且反應產物是無放射性污染的氦。” 丁理峰告訴記者，由于核聚變需要極高溫度，一旦某一環節出現問題，燃料溫度下降，聚變反應就會自動中止。核聚變的原料極為豐富，其中氘在海水中儲量極為豐富。未來可控核聚變有朝一日能夠實現的話，將會為人類提供接近無限的能源。
“人造太陽“的7000萬℃和1056秒意味著什么？
盡管可控核聚變技術和托卡馬克裝置最早起源于國外，但中國已經實現了后來者居上，處于國際領先地位。
2016年2月，合肥全超導托卡馬克物理實驗就實現了電子溫度達到5000萬℃持續時間最長的等離子體放電；2021年5月28日，全超導托卡馬克核聚變實驗裝置創造了可重復的1.2億℃的高溫，并且持續了101秒，同時還實現了1.6億℃持續20秒的運行。2021年12月30日，全超導托卡馬克核聚變實驗裝置又實現了7000萬℃高溫下1056秒的長脈沖高參數等離子體運行，打破了自己保持的世界紀錄，標志著我國在可控核聚變研究上處于世界領先水平。
“全超導托卡馬克裝置就是一種利用磁約束和真空絕熱來實現受控核聚變的環形容器，運行原理就是在裝置的真空室內加入少量氫的同位素氘或氚，再通過物理方法使其變成高密度和高溫條件下的等離子體，進而發生聚變反應產生強大的能量。”合肥EAST裝置實驗運行總負責人龔先祖介紹，EAST裝置開始建造至今已有10年，是全世界所有的已建成的中大型托卡馬克裝置。超導托卡馬克已被科學界公認為是探索、解決未來穩態聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑。他強調，EAST裝置是一個大科學裝置，是我國自主設計、自主建造的核聚變實驗裝置。EAST裝置猶如鍋爐狀的巨大環形裝置，其主機高11米、直徑8米、重達400噸。
“2021年12月30日的千秒量級等離子體運行再次挑戰了世界托卡馬克紀錄，我們全面驗證了未來聚變發電的等離子體控制技術，推動其從基礎研究向工程應用邁進了一大步。”中科院合肥物質科學研究院副院長、等離子體物理研究所所長宋云濤接受媒體公開采訪時表示。
“核聚變能源具有資源豐富、無碳排放和清潔安全等突出優點，是人類未來最主要的清潔能源之一，可為實現碳達峰碳中和作出重大貢獻。”宋云濤說，EAST大科學團隊將在未來聚變堆類似條件下向高參數穩態高約束等離子體運行等科學目標發起沖擊。依托EAST裝置，我國科研人員還參加了目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一——國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）。據悉，ITER是全球最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆裝置。此外，丁理峰還透露，我國還有在建的中國聚變工程實驗堆 （CEFTR），預計將在2050年建設成為可控核聚變商業示范堆。
可控核聚變之路道阻且長，已衍生創新成果
雖然可控核聚變技術潛力巨大并衍生出很多創新成果，但距離應用還有很長的路要走。
“可控核聚變概念首次提出來是在1958年瑞士日內瓦召開的第二次聯合國和平利用原子能會議上提出，可控核聚變之所以發展如此緩慢是因為需要攻克的技術和工程難題眾多。其中包括等離子體反應的約束，原料的提供，效率的提高以及成本的控制等。” 丁理峰解釋。
“目前實現可控核聚變商業化還需要突破許多難關。其中最大的難題是如何控制和約束核聚變反應。” 丁理峰說，產生核聚變的需要上千萬度的高溫來實現，世界上沒有任何化學物質能夠承受這樣的高溫。所以通常有三種物理方式要約束核聚變反應：重力場約束，磁力場約束和慣性約束。太陽上的核聚變就是靠太陽的強大的萬有引力提供的重力場約束，這個方法我們在地球上無法實現。托卡馬克就是最著名的磁力場約束核聚變的方法。目前世界各國的主攻可控核聚變的方向都是磁約束的方向，也是最有希望實現可控核聚變的方向。
多年科研生涯中，丁理峰和同事們在著手解決可控核聚變的另外一個問題：燃料問題。雖然自然界中存在著大量的氫的同位素-氘，但是氘在海水中的含量非常稀釋，一萬多個水分子可能只有一個水分子含有氘原子。為應對這一挑戰，丁理峰與利物浦大學英國皇家學院院士安德魯·科珀教授帶領的聯合團隊設計出一種新型材料，通過一種被稱為“動態量子篩分”的過程，實現氘氣體從混合氣體中的有效分離。這是一種混合多孔有機籠狀材料，為分離氘分子提供了一種經濟有效的技術方案，它能從氣體氫氘混合氣體中選擇氘分子并大量吸附它。
雖然人造太陽道阻且長，但大科學裝置集高精尖技術于一身，其承載的意義早已不止追求科學目標本身。《科技周刊》記者了解到，EAST裝置已衍生出一系列重要創新成果，形成了超導技術、低溫技術、等離子體技術、生物技術、材料技術、機器人技術等多個產業技術板塊，推動一大批高新技術成果實現轉移轉化。比如依托EAST裝置技術優勢研發的超導回旋質子治療系統成為一種新型腫瘤治療方式，其設備的核心部件——超導回旋加速器，依托的正是EAST提供的超導技術，具有體積小、能耗低、易維護等優勢。
“發展可控核聚變技術意義深遠。”丁理峰表示，人類最大的困擾其實歸根結底是能源問題。未來，如果可控核聚變真的實現了，所帶來的接近無限的清潔能源將會徹底解決能源問題。溫室效應導致的全球變暖將會成為歷史。廉價的能源也會加快經濟建設和工業生產，同時也會幫助改善環境的治理。可控核聚變的實現意味著人類將會進入一個新的紀元。
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