從美國核聚變重大突破看成都核聚變研究

2022-12-13 21:32:07 影視原著 1951℃

概要：美國核聚變重大突破，成都也有自己的「人造太陽」。

美國核聚變重大突破

據媒體12月11日報道，位於美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家們已經從一個實驗性核聚變反應堆（NIF，國家點火裝置）中實現了凈能量增益，聚變反應產生了大約2.5兆焦耳的能量，大約是激光所消耗的2.1兆焦耳能量的120%。[凈能量增益即聚變反應產出的能量大於了外部注入的能量，通俗講就是產生了正的能量輸出，具有了真正產生實際能源的價值]。如果此實驗進一步驗證為真，將是核聚變首次實現凈能量增益的重大突破！

該消息一放出來就一石激起千層浪，科技圈都在歡呼重大突破。但比較現實的情況是，即使實驗成功，也只是核聚變研究的一個里程碑，核聚變的商業化應用可能也仍需要數十年的時間才能完成。

核聚變的技術途徑與路線

太陽時時刻刻都在發生核聚變反應，但其發生的條件是1500萬度的高溫和2000億個大氣壓。而在地球達到2000億個大氣壓壓強的技術幾乎是不可能，而達到更高的溫度而是可行的。因此，要發生聚變，溫度就只能更高，達到上億度，並且要能持續。由此，引出可控核聚變的兩個難點。一，如何將聚變材料加熱到這麼高的溫度？二，用什麼容器來裝溫度這麼高的聚變材料？把核聚變反應堆看成一個火爐，第一個問題就相當於「怎麼點火」，第二個問題相當於「怎麼保證不把爐子燒穿」。　　

對第一個問題的回答，慣性約束激光點火是一條思路。把聚變燃料放在一個彈丸內部，用超強激光照射彈丸，瞬間達到高溫，彈丸外壁蒸發掉，並把核燃料向內擠壓。美國的「國家點火裝置」和中國的「神光-III」等實驗裝置，走的就是這條路。

對第二個問題的回答，磁約束是一條思路。把聚變燃料做成等離子體（原子核和電子分離，都可以自由流動），用超強磁場約束等離子體，讓它們懸空高速旋轉，不跟容器直接接觸。中國環流器二號M（HL-2M）、EAST等托卡馬克裝置，走的就是這條路。

還有第三種方式，引力約束。太陽每天都在產生核聚變，其實還有很多恆星像太陽一樣，自身質量很大，內部壓力也非常大，通過自身巨大的引力，把核燃料束縛在一起，在極端高溫高壓的環境下，核燃料很容易發生核聚變。此路線，人類目前還無法實現。

因此，慣性約束和磁約束是當前核聚變研究國際主流的兩大技術路線。

中國的核聚變研究

核聚變技術被視為清潔能源的「聖杯」。中國自然也在此方向上大量投入。目前形成三大研究團隊：一是位於位於成都的核工業西南物理研究院，二是合肥的中科院等離子體物理研究所。三是綿陽的中國工程物理研究院的神光III項目。核工業西南物理研究院和中科院等離子體物理研究所採用的是磁約束托卡馬克技術路線，中國工程物理研究院採用的是慣性約束路線。

中科院等離子體物理研究所主要從事高溫等離子體物理、磁約束核聚變工程技術及相關高技術研究和開發，研究建造了世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置「東方超環」（EAST，先進超導托卡馬克實驗裝置），在2021年實現了可重複的1.2億度101秒等離子體運行和1.6億度20秒等離子體運行。

中國工程物理研究院「神光-III」主機裝置於2007年開始設計並於2015年建設完成，是中國巨型光學工程的典型裝置之一。這標誌着我國已全面掌握二代巨型激光裝置總設、總成、總控等核心技術。整個裝置的總體規模與主要性能僅次於美國LLNL的NIF裝置。該裝置用於開展高能量密度物理和慣性約束聚變研究。該工作主要由中國工程物理研究院激光聚變研究中心承擔，該研究中心是我國專業從事慣性約束聚變理論、實驗、設計、生產的綜合性研究機構，是目前國內唯一的專業化激光聚變研究所。該所在成都也建有分部。「神光-III」比較特殊，不僅用於核聚變研究，還有其他用途，暫不多表。

本文的重點是成都的核工業西南物理研究院。

核工業西南物理研究院的歷史

核工業西南物理研究院建院於二十世紀六十年代中期，隸屬中國核工業集團公司，是我國最早從事核聚變能源開發的專業研究院。在國家有關部委的支持下，依託核工業體系，經過40多年的努力，擁有較完整的開展核聚變能源研發所需的學科及相關實驗室，先後承擔並出色完成國家「四五」重大科學工程項目「中國環流器一號裝置研製」及「十五」「中國環流器二號A(HL-2A)裝置工程建設項目」建設任務，取得了一批創新性的科研成果，實現了我國核聚變研究由原理探索到大規模裝置實驗的跨越發展，是我國磁約束核聚變領域首家獲得國家科技進步一等獎的單位。

核西物院是國家核能「三步走」發展戰略中聚變堆研發的核心單位，也是我國參與國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃的重要支撐單位。

核西物院原位於四川省樂山市郊區，「七五」期間部分遷至成都市，九十年代於成都市近郊新建了聚變研究實驗基地。全院現有職工1700餘人，科技人員1100餘人，其中中國科學院院士1人,研究員72人，副研究員及高級工程師155人。

核工業西南物理研究院的成果

核西物院在40多年中先後發展了多種類型的磁約束聚變研究裝置，先後成功建造並運行了中國環流器一號（HL-1）、新一號（HL-1M）、二號A（HL-2A）、二號M（HL-2M）核聚變研究裝置。

1984年建成的中國環流器一號（HL－1）和1994年建成的中國環流器新一號（HL－1M）兩個中型托卡馬克裝置及其實驗研究成果，代表了當時我國磁約束聚變實驗研究的水平，處於國際上同類型、同規模裝置的先進行列，並在探索可控核聚變的道路上取得了重要進展。

我國第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置中國環流器二號A（HL－2A）於2002年建成。HL－2A在國內托卡馬克裝置上首次實現高約束(H模)運行模式，獲得的等離子體儲能達40kJ，離子溫度達2.8keV以上，等離子體約束改善因子達2。這是我國磁約束聚變實驗研究史上具有里程碑意義的重大進展。

2020年12月4日14時02分，新一代「人造太陽」裝置——中國環流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成並實現首次放電，標誌着中國自主掌握了大型先進托卡馬克裝置的設計、建造、運行技術，為我國核聚變堆的自主設計與建造打下堅實基礎。中國環流器二號M裝置是我國目前規模最大、參數最高的先進托卡馬克裝置，是我國新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置，採用更先進的結構與控制方式，等離子體體積達到國內現有裝置2倍以上，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體離子溫度可達到1.5億度，能實現高密度、高比壓、高自舉電流運行，是實現我國核聚變能開發事業跨越式發展的重要依託裝置。

2021年10月19日下午，中國最新一代「人造太陽」（HL-2M）科學研究取得了突破性進展，等離子體電流成功突破100萬安培，創造我國該裝置運行的最高、最新記錄。