“未來如果有一盞燈能夠被聚變之能點亮，我們期望它最先在——中國！”目前，中國環流器二號A（HL-2A）等大型裝置（也被稱為“人造太陽”）正在進行核聚變相關的研究和測試。為了讓人類有朝一日可以用上清潔可靠的核聚能，科學家如何運用智慧在地球上建起“人造太陽”？中核集團核工業西南物理研究院博士、特聘研究員鍾武律為大家帶來演講《受控核聚變：用“人造太陽”點亮能源夢想》。
鍾武律演講視頻：
以下為鍾武律演講實錄：
大家好，我叫鍾武律，來自中核集團核工業西南物理研究院。我今天要講的東西溫度特別高——超過1億度。
1億度是什麽概念？俗話說，萬物生長靠太陽，太陽的核心溫度大概在1500萬度~2000萬度；而地球上的金屬材料在1000度左右就會融化。1億度，已經超過太陽溫度的5~6倍了。
我們現在要做的工作，就是在地球上建一個能夠承受住1億度、甚至超過2億度高溫的裝置。
為什麽要建這麽一個裝置？是為了通過核聚變反應持續續穩定地輸出能量，最終解決人類的能源問題，從而造福人類。由於核聚變的原理和太陽發光發熱的原理很相似，所以，這些以探索聚變清潔能源為目的的裝置被人們稱為“人造太陽”。
東方超環（EAST），還有中國環流器二號A（HL-2A），都屬於“人造太陽”實驗裝置。
中國環流器二號A裝置在成都，在中核集團核工業西南物理研究院——也就是我工作的地方。實驗期間，我天天和它打交道。它由成千上萬個零組件組成，非常複雜。
有人問我：你們以後要在地球上造一個太陽嗎？
其實這話還真有幾分道理，因為我們裝置的基本原理確實和太陽的原理是一樣的。
太陽之所以能夠持續發光發熱，正是因為它在時時刻刻發生核聚變反應。
那核聚變是怎麽來的，它的能源從哪裡來？
其實核聚變是兩個輕的原子核融合在一起形成一個重核的過程，它與核裂變相反。在反應過程中，原子核的總質量會減少（質量虧損），會釋放出巨大的能量。
反應釋放出的能量有多少呢？可以由著名的質能方程來描述，E=mc^2。正所謂“大道至簡”，愛因斯坦用我們現在看來非常簡單的一個公式，就描述了質量和能量之間的關係。
地球上，氫的同位素氘和氚非常容易發生核聚變反應。從左圖可以看到：我們可以利用氘和氚，讓它們的原子核無限接近，然後融合在一起發生核聚變反應，就會釋放能量。
從原理和公式來看，核聚變非常簡單；但真正實現起來，卻是異常的困難。
想利用核聚變能，就必須要讓核聚變變得可控——就意味著要滿足三個非常苛刻的條件。
第一，溫度要足夠高，使燃料變成超過1億度的等離子體。
第二，密度要足夠高，這樣兩個原子核碰撞的概率就會更大。
第三，要把等離子體在有限的空間裡約束足夠長時間。
然而在地球上，沒有任何材料可以把1億度高溫的等離子體給直接包裹起來。但是聰明的科學家想了一個辦法——用強磁場的方式，把帶電粒子約束住。
如果我們製造一個環形的磁容器（像甜甜圈或者輪胎），把帶電粒子約束住，把高溫的等離子體和材料隔離開，它們就會在磁容器裡面盤旋、繞圈，而不接觸裝置內壁。這樣的裝置就叫托卡馬克裝置，這種裝置很複雜，由很多外部線圈和輔助系統組成。
中國環流器二號A裝置裝置運行的時候，周邊就有很多支撐系統，比如電源系統、控制系統、診斷系統、加熱系統等等。
還記得我上完研究生基礎課回所裡報到的第一天，我們主任就說，“托卡馬克等離子體物理啊，沒有5年入不了門”，當時我還很不理解。
我回來以後，就參加所裡的實驗。當時一到控制大廳，就被大螢幕上面形態各異的曲線給鎮住了。
後面我們不斷學習、不斷參加物理實驗、不斷和專家們一起討論，才慢慢地對裝置運行有了一個概念。我也逐漸明白，核聚變是對每一項技術逼近極限的挑戰，是一個多學科高度交叉融合的領域，也是一項系統而龐大的工程，需要科研團隊齊心協力合力，去攻克整個聚變研究過程中關鍵的科學與技術問題。
我回到所裡的時候，正趕上2A團隊重點攻克一項關鍵技術——實現高約束模式運行。
什麽是高約束模運行呢？如果把磁容器約束的等離子體比作一個沙堆，我們的目的就是把這個沙堆堆得足夠高。但是往上加沙子的時候，沙子會往兩邊垮下來。在底面積不變的前提下，怎樣才能把沙堆堆得更高呢？很簡單：把沙堆用一塊木板圍起來，擋住垮下來的沙子。
我們要實現高約束模運行，也是要在等離子體的邊緣形成一個很陡的壘，讓它起到像木板一樣的作用，把芯部等離子體的密度和溫度進一步提高，從而有利於聚變反應。
從物理圖像來看，高約束模很簡單，但真正實現起來卻並不容易。我們2A團隊花了很多年的時間來攻克這個難題，我們的專家和老師查閱了大量的資料，夜以繼日地開展研討和討論。因為高約束模運行是整個裝置綜合能力的體現，不僅要求各個系統要達到最優，還要求參數也達到最優的範圍。經過大概1萬多次的實驗，我們終於在2009年於國內首次實現了高約束模運行。
左邊這個照片，是當時實驗成功以後大家在一起慶祝，當時我們還是第一次開香檳，大家都沉浸在喜悅之中。當時新聞聯播也報導了這個消息，因為這是中國磁約束聚變研究史上一個里程碑的事件。
有了高約束模這個平台以後，我們就可以開展很多更先進的實驗。
過去，我們請國外頂尖的科學家來做實驗和指導，有時候都請不來，但有了這個平台以後，國外的同行都主動聯繫我們，想來我們裝置做實驗，甚至有些還是組團來。
從過去的“請不來”，到今天的“組團來”，這樣的變化，靠的是實力。我們也有了越來越多的底氣，在國際聚變舞台上，中國有了絕對的話語權。我們將和全世界聚變領域的科學家攜手，共同解決人類未來的能源問題。
碩士畢業以後，我以訪問學者的身份去了法國原子能委員會的聚變科學所（圖右），繼續從事等離子體物理實驗研究。
其實等離子體被磁場約束住以後也不會那麽老實，會時不時會形成一些不穩定性，破壞約束性能，阻礙溫度和密度的進一步提高。
其實這種現象，我們在2A裝置上早有發現，但並不知道為什麽。所以我帶著這個問題和我法國的導師，一起利用他們裝置的數據進行了進一步分析。
但是對物理本質的理解，除了實驗，往往還要結合理論模擬。所以當時我導師聯繫了一位做理論模擬的法國專家，請她來指導我開展理論模擬的研究。但那個老師特別忙，幾個月都沒有任何進展。我導師就讓我去找她學習程序，然後自己做理論模擬。
後來我找了她，她也熱心地指導了我，通過兩年實驗和理論模擬研究，我們終於找到了答案，這個結果也很快被物理學國際頂級期刊《物理評論快報》接收發表。
收到文章被接收的郵件以後，我非常高興，大半夜打電話給我法國的導師分享這份喜悅。那一年正好是我接觸核聚變的第五年，我心想，這算入門了嗎？如果是這樣，核聚變的門檻還真不低啊。
確實，受控核聚變研究非常困難。世界上第一顆原子彈爆炸以後，不到十年就實現了和平利用，建成了核電站。科學家就想，氫彈成功以後，應該也用不了多長時間就能夠實現和平利用，實現受控核聚變。但後來的研究發現，並沒有那麽簡單，它需要全世界的科學家一起來努力完成。
所以就有了國際熱核聚變堆計劃，簡稱ITER計劃。由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度七方參與，計劃在法國南部美麗的普羅旺斯地區共同建造一個世界上最大的托卡馬克裝置。
ITER是目前全球影響最深遠的、最大的國際合作項目之一，也是中國以平等身份參加的最大的國際科技合作項目。其中，中國承擔了大概9%的採購包研發任務。
中國在採購包研發製造過程中，取得了重大突破，解決了一系列的工程和技術問題。比如說核工業西南物理研究院研發的第一壁採購包半原型部件，在國際上率先通過了高熱負荷的認證，這也是中國在世界範圍內首次通過這樣的認證。所以圈內非常振奮，國際同行也紛紛發來郵件祝賀。
其實這是ITER組織交給中國團隊的一份高難度的作業，因為第一壁是ITER裝置的關鍵部件，要直接面向1億度的高溫等離子體。世界上擁有這種特殊材料提取和製備工藝的國家中，美國處於絕對的技術壟斷地位。所以那個時候，我們有錢也買不到。我們院的科研團隊通過超過十年的特殊材料研製，該自主研製的材料問世後，將美國的壟斷價格降低了90%，也讓中國在這個技術上直接從“跟跑”實現了“領跑”。
中國參與ITER十多年來，在材料科學、超導技術和精密加工等領域的研發能力和製造水準都取得了長足的進步。目前我們中國承擔的ITER採購包，不管是在研發進度還是完成質量方面，都處於七方之首。在科學研究方面，我們依托國內的幾個大裝置和國際的裝置，通過國際合作的形式也取得了一系列國際領先的科技成果。所以看得出來，中國的磁約束聚變正在走向國際的前列。
其實核聚變還是很多科幻大片裡面的素材。過年的時候，《流浪地球》熱映，有朋友就問我，“行星發動機是不是你們研究的那個東西？”包括我兒子也問我發動機什麽時候造成。前不久，《復仇者聯盟4：終局之戰》上映，又有人問我，“鋼鐵俠胸前那個放射反應堆是不是你們研究的東西？”
其實還是有區別：《流浪地球》裡面燒石頭的行星發動機，原理是重核聚變，如果真的帶著地球去流浪了，可能還沒到目的地地球就被燒光了。
我們做的輕核聚變就不一樣。地球上更容易實現的聚變是氫的同位素氘和氚，其中氘可以從海水裡面提取——一升海水裡面的氘如果用於聚變反應，釋放的能量大概等效於300升汽油燃燒釋放的能量。據目前估計，海水中的氘裡面可供人類使用上百億年，而太陽的壽命也就100億年。所以從這個時間尺度來看，聚變燃料非常豐富，可謂“取之不盡，用之不竭”。
此外，核聚變堆是固有安全的，因為反應條件非常苛刻，任何一點小故障都會讓它的反應停止。
最後，它是一種清潔友好的能源。整個反應過程中，它不會釋放有害氣體和溫室氣體，也不會產生長壽命的放射性產物。所以說，核聚變能是人類最理想的能源之一。
等到實現核聚變的那一天，我想我們有望徹底解決人類的能源問題。那個時候，環境問題、社會問題、電價問題等等，都將不成為問題，我們的生活將是多麽美好。
我們中國環流器2A裝置在運行的時候，控制大廳的中間有一個大螢幕來呈現等離子體的圖像。當我看到這個等離子體被約束住，發光的時候，我覺得它特別美。這種感覺就像人類第一次看到自己點燃了篝火——發光發亮，充滿希望。
最後我想和大家分享一首歡快的兒歌《種太陽》，也期待更多的新生力量能夠加入我們中國聚變隊伍，接力聚變火炬，我們一起用智慧來點燃藍色的海洋！
作者：鍾武律
編輯：Yuki、凝音
本文首發於“我是科學家iScientist”
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