提高三乘積，讓可控核聚變走向現實

依托現有核科技工業體系，凝聚核工程領域具有專業經驗和技術基礎的相關研究單位和企業，逐步搭建聚變能的技術開發體系和工業體系，集中力量開展核聚變工程和技術攻關，再經過三十年左右的時間，也就是到2050年左右，人類將能利用核聚變能源。

段旭如

中核集團核聚變堆技術領域首席專家

核聚變，是一種核反應的形式，即輕原子核(例如氘和氚)結合成較重原子核(例如氦)時放出巨大能量的過程。在不加約束的情況下，核聚變往往是劇烈而不可控的。長期以來，實現可控核聚變，為人類的發展提供源源不斷的能源是人們的愿景。核聚變點火作為實現可控核聚變的關鍵步驟，是實現可控核聚變的前提和基礎。如今，實現核聚變點火這一目標，正在逐漸走向現實。

近日，中核集團核工業西南物理研究院傳來捷報，我國新一代“人造太陽”（HL-2M）等離子體電流首次突破100萬安培（1兆安）。

100萬安培電流是個什么概念？有怎樣的關鍵意義？專家指出，達到100萬安培這個數字，標志著我國“人造太陽”向著核聚變點火邁出了重要一步。

三大關鍵參數，實現聚變點火必要條件

如果說通過分裂重原子核來產生能源的核裂變，是將原本完整的鏡子打碎，那么核聚變可以說恰恰相反，其產生能源的方式是將打碎的鏡子復原，通過“破鏡重圓”來釋放能量。

中核集團核工業西南物理研究院聚變科學所副所長（主持工作）、HL-2M實驗負責人鐘武律向科技日報記者介紹，核聚變產生能源的基本原理是由于氫的同位素——輕原子核氘和氚結合成較重的原子核氦時會釋放巨大能量。太陽內部便每時每刻都在發生著類似的核聚變反應，從而源源不斷地發出光和熱。

而想要兩個原本獨立的原子核克服各種阻礙合為一體，就需要溫度、密度、約束時間等參數滿足極為苛刻的條件。否則反應無法維持，核聚變就不會發生。

英國物理學家勞森在上世紀50年代對核聚變反應堆的能量平衡問題進行深入研究后，提出了核聚變研究中著名的“勞森判據”，即當核聚變反應的能量產出率大于能量損耗率，并且有足夠能量使核聚變反應穩定持續時，通常意味著核聚變點火成功。利用具體的計算公式，目前可以將勞森判據直觀地轉換為對溫度、密度、約束時間這三個參數的乘積，即所謂聚變三乘積大小的判斷。

鐘武律表示，衡量核聚變裝置及核聚變研究的水平，主要看三個參數：燃料的離子溫度、等離子體密度和能量約束時間，三者缺一不可。

而在磁約束核聚變裝置中，上述三個參數中的等離子體密度和能量約束時間恰恰與等離子體電流成正比。“等離子體電流越高，等離子體密度和能量約束時間這兩個參數就越高，就可以更加接近點火要求的聚變三乘積。”鐘武律說，“因此，如果根據聚變三乘積的結果倒推，未來托卡馬克要實現穩定運行，等離子體電流必須超過1兆安。”

此外，鐘武律還介紹，聚變堆的聚變功率與等離子體電流的平方成正比，等離子體電流若提升10倍，聚變功率便可提升100倍。

多種先進技術，不斷刷新各項國內國際紀錄

“勞森判據”已經指出實現核聚變點火需要提高的三個參數，實現核聚變點火似乎已經變成一場“開卷”考試。可是答案雖已寫明，“解題”過程卻仍需不斷探索。圍繞著提高聚變三乘積、實現核聚變點火這一最終目標，多年來，我國的托卡馬克裝置不斷刷新著新的紀錄。

托卡馬克裝置通常有著大體相似的結構，鐘武律向記者介紹，托卡馬克裝置的中央是一個環形真空室，里面注滿氣體，外面纏繞著線圈。線圈通電后，會在托卡馬克內部產生巨大的螺旋型磁場，里面的氣體將被電離成等離子體并形成等離子體電流。當等離子體被加熱到極高溫度后，便可實現核聚變。

在此次新一代“人造太陽”HL-2M實現等離子電流1兆安突破前，我國的另一個“人造太陽”，由中國科學院等離子體所研制的被稱為東方超環的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）也頻頻進入大眾視野。它也是我國自主設計的世界首個非圓截面全超導托卡馬克。

在突破聚變三乘積的道路上，常規的托卡馬克裝置存在著一定的固有缺陷。目前，世界上的多數托卡馬克裝置主要以實驗研究為目的，要不斷對約束等離子體的磁場的形態和性質進行深入研究。這就要求其約束磁場能夠長時間穩定運行。雖然磁場可以約束上億攝氏度的等離子體，但是其本身卻并不穩定。維持強大的約束磁場，需要非常大的電流。但是普通線圈在高強度、長時間通電后難免會大量發熱。如果僅從這一角度來看，常規托卡馬克在長時間穩定運行方面存在著諸多挑戰。

為了解決常規托卡馬克的瓶頸，超導技術便被引入到了托卡馬克建設中。超導材料由于具有顯著的零電阻特性，幾乎不產生電阻熱，可以通過強大的電流穩定地產生強磁場，因此被認為是未來托卡馬克裝置的重要組成部分。

作為全球首個全超導托卡馬克，EAST的中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導磁體，外側則由超導材料制成的線圈圍成。得益于超導材料的零電阻等特性，EAST在運行過程中可以大大節省供電功率，并且長時間維持磁體工作。因此，EAST在能量約束時間這一參數上具有格外強大的優勢。

同時，借助電子回旋與低雜波協同加熱等技術，EAST在建成后先后成功突破等離子體中心電子溫度1億攝氏度、可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行、1056秒的長脈沖高參數等離子體運行等多項國內、國際紀錄。

作為我國最新一代托卡馬克裝置，HL-2M采用的是常規磁體，應用了先進的結構與控制方式。鐘武律表示，HL-2M的等離子體體積是國內同類裝置的2倍以上，在未來，其等離子體電流能力將提高到2.5兆安以上。

一個宏偉目標，力圖2050年實現能源化利用

今年兩會期間，中核集團核聚變堆技術領域首席專家、國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃科技咨詢委員會副主席段旭如表示，若依托現有核科技工業體系，凝聚核工程領域具有專業經驗和技術基礎的相關研究單位和企業，逐步搭建聚變能的技術開發體系和工業體系，集中力量開展核聚變工程和技術攻關，再經過三十年左右的時間，也就是到2050年左右，人類將能利用核聚變能源。

目前在磁約束核聚變領域，集結了全球多個主要經濟體的“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”最為受人矚目。該計劃的目標是建設能產生大規模核聚變反應的托卡馬克裝置。

段旭如表示，我國自2006年正式參加ITER計劃以來，承擔了ITER裝置重要關鍵部件的制造任務。我國多個托卡馬克裝置在吸收ITER先進技術的同時，也為ITER計劃提供了寶貴的研究參考。利用ITER計劃這一良好國際合作平臺，我國的聚變研究得到了快速發展，磁約束核聚變研究從過去的跟跑步入了并跑階段，部分技術達到國際領先水平。

此次實現突破的HL-2M裝置接下來也將繼續與ITER計劃展開合作，開展相關物理實驗，力爭掌握或突破聚變堆工程相關技術，如高功率輔助加熱和電流驅動、偏濾器排灰排熱、聚變產物診斷等關鍵技術。