在地球上“种太阳”还要多久？

近日，世界聚变能源集团第2次部长级会议暨国际原子能机构第30届聚变能国际大会在成都举办，核聚变技术吸引了来自全世界的目光。

“人造太阳”何时成真？核聚变离我们还有多远？记者采访了相关专家，揭开核聚变的神秘面纱。

一升海水蕴藏多大能量？

在微观世界里，两个原子核在极高温和高压条件下聚合成一个新的原子核，并释放能量，这是核反应的另一种形式——核聚变反应。

在核聚变反应前后，原子核总质量减少，发生了质量亏损。根据著名的爱因斯坦质能公式E=mc^2（E代表能量，m代表质量亏损，c代表光速），一点点质量亏损，就将转化为巨大能量。

核聚变释放的能量到底有多大？

中核集团首席科学家、核工业西南物理研究院原院长刘永打了个比方：“1升海水含有0.03克氘，在完全的核聚变反应中，可以释放相当于燃烧300升汽油的能量。”

“聚变能具有三大优势。”刘永进一步介绍道，“首先，资源丰富，仅在海水中，就有超过45万亿吨氘；其次，从核安全的角度来看，具有固有安全性；此外，环境友好，在核聚变反应过程中不释放温室效应气体。因此，它被认为是最终解决能源问题的选项。”

核聚变有望成为未来能源的主力军，各国纷纷瞄准可控核聚变技术，将其作为未来科技竞争的主赛道。

实现可控核聚变有多难？

通过核聚变释放的巨大能量，能被我们合理利用吗？

事实上，实现核聚变反应的条件十分苛刻。“三大挑战摆在人们眼前。实现可控核聚变，需要一亿摄氏度以上的高温；在有限的空间中，等离子密度要足够高；同时，要把高能量的等离子体长时间约束。”刘永介绍。

然而，地球上没有任何材料能够耐受上亿摄氏度的高温。在地球上，最耐高温的材料——金属钨在几千摄氏度的条件下也会熔化。

有什么装置可以容纳这个“大火球”？磁场，给了科学家灵感。

磁场可以把等离子体控制在一定范围内运动，像一双手一样，牢牢地将反应物控制在真空室内，带电粒子沿着磁力线做螺旋运动，从而使大量原子核发生核聚变，释放出巨大的能量。这种实现核聚变的方法，被称为磁约束核聚变。

然而，在人类“驯服”这团上亿摄氏度“天火”的路上，仍有许多需要克服的难题。据刘永介绍，磁约束核聚变面临三大科学与技术挑战。

“一是燃烧等离子体稳态自持运行问题；二是抗辐照材料问题；三是氚增殖与自持循环问题。这三大科学与技术挑战均是核特性问题。”刘永表示。

核聚变研究走到了哪一步？

电影《流浪地球2》中，人类推动地球离开太阳系，所依靠的就是核聚变行星发动机。全球布置的上万台发动机，将石头中所包含的重元素进行核聚变反应，从而产生巨大推力。

人类在寻找“理想清洁能源”的路上，不断探索。科学家们模拟太阳发光发热原理，在地球上建造能够承受住亿摄氏度高温、且可控输出能量的核聚变装置——“人造太阳”。

“种太阳”的梦想，正一步步成为现实。

我国核聚变技术已从过去的跟跑到并跑，到部分技术达到国际领先水平。

1984年，我国建成了核聚变领域第一座大科学装置——“中国环流一号”托卡马克装置；2002年，我国建成第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置“中国环流二号”；2006年，全超导托卡马克装置东方超环首次放电成功；2020年，“中国环流三号”建成。

3月，新一代人造太阳“中国环流三号”（HL—3）国内首次实现原子核温度1.17亿摄氏度、电子温度1.6亿摄氏度，综合参数聚变三乘积实现大幅跃升，标志着中国聚变研究进入燃烧实验阶段。

同时，国内高校也在加快建造、运行一批聚变实验研究装置（如华中科技大学的J—TEXT、中国科学技术大学的KTX、清华大学的SUNIST等）。伴随“聚变热”，多家民营公司也纷纷下场，汇入聚变产业的洪流。

“国资委在布局‘9+6’战新产业和未来产业中，将可控核聚变作为未来能源产业重点方向。从这个意义上讲，现在国家相关部委都在重视、跟踪、研讨、分析各种各样的可能性，以使我们在大国竞争的主赛道里立于不败之地。”刘永表示。

实现可控核聚变还要多久？

除了持续精进自身科研水平，我国也积极在国际合作中贡献“中国智慧”和“中国方案”。

2006年，我国加入全球规模最大、国际影响力最大的可控核聚变项目——“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”。

此项目由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国七方共同实施，以及30多个国家参与，计划在法国南部普罗旺斯地区共同建造一个世界上最大的托卡马克装置。

作为ITER计划的关键合作伙伴，我国高质量完成18个关键部件和系统的设计制造任务，2025年主导的ITER核心安装标段真空室模块组件成功吊装入位，磁体支撑系统、包层屏蔽模块等大型装备如期交付，为全球聚变堆工程化贡献中国经验。

同时，我国积极推动技术标准“全球共用”。与50多个国家的140余家核聚变科研机构建立合作，发布聚变能领域首个ISO国际标准——《聚变堆热氦检漏技术》。

公众最关心一个议题——实现可控核聚变还要多久？

对此，刘永介绍了磁约束核聚变能发展路线图：“到2034年，建成国际热核聚变实验堆；到2045年左右，建成我国首个商用示范堆；到本世纪中叶，建成我国首个聚变商用堆。至少还有30年左右的时间，实现可控核聚变商业化应用。”

“我们对核聚变还需要有点耐心。”刘永表示，“人类对能源探索和利用的历史，也是人类社会文明发展史。30年、50年，不过都是历史长河中一瞬间的事情。经过全人类半个多世纪的不懈努力，核聚变能的曙光已经出现。”

来源：中国环境APP

编辑：吴雨桐