从美国核聚变重大突破看成都核聚变研究

2022-12-13 21:32:07 影视原著 1951℃

概要：美国核聚变重大突破，成都也有自己的“人造太阳”。

美国核聚变重大突破

据媒体12月11日报道，位于美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家们已经从一个实验性核聚变反应堆（NIF，国家点火装置）中实现了净能量增益，聚变反应产生了大约2.5兆焦耳的能量，大约是激光所消耗的2.1兆焦耳能量的120%。[净能量增益即聚变反应产出的能量大于了外部注入的能量，通俗讲就是产生了正的能量输出，具有了真正产生实际能源的价值]。如果此实验进一步验证为真，将是核聚变首次实现净能量增益的重大突破！

该消息一放出来就一石激起千层浪，科技圈都在欢呼重大突破。但比较现实的情况是，即使实验成功，也只是核聚变研究的一个里程碑，核聚变的商业化应用可能也仍需要数十年的时间才能完成。

核聚变的技术途径与路线

太阳时时刻刻都在发生核聚变反应，但其发生的条件是1500万度的高温和2000亿个大气压。而在地球达到2000亿个大气压压强的技术几乎是不可能，而达到更高的温度而是可行的。因此，要发生聚变，温度就只能更高，达到上亿度，并且要能持续。由此，引出可控核聚变的两个难点。一，如何将聚变材料加热到这么高的温度？二，用什么容器来装温度这么高的聚变材料？把核聚变反应堆看成一个火炉，第一个问题就相当于“怎么点火”，第二个问题相当于“怎么保证不把炉子烧穿”。　　

对第一个问题的回答，惯性约束激光点火是一条思路。把聚变燃料放在一个弹丸内部，用超强激光照射弹丸，瞬间达到高温，弹丸外壁蒸发掉，并把核燃料向内挤压。美国的“国家点火装置”和中国的“神光-III”等实验装置，走的就是这条路。

对第二个问题的回答，磁约束是一条思路。把聚变燃料做成等离子体（原子核和电子分离，都可以自由流动），用超强磁场约束等离子体，让它们悬空高速旋转，不跟容器直接接触。中国环流器二号M（HL-2M）、EAST等托卡马克装置，走的就是这条路。

还有第三种方式，引力约束。太阳每天都在产生核聚变，其实还有很多恒星像太阳一样，自身质量很大，内部压力也非常大，通过自身巨大的引力，把核燃料束缚在一起，在极端高温高压的环境下，核燃料很容易发生核聚变。此路线，人类目前还无法实现。

因此，惯性约束和磁约束是当前核聚变研究国际主流的两大技术路线。

中国的核聚变研究

核聚变技术被视为清洁能源的“圣杯”。中国自然也在此方向上大量投入。目前形成三大研究团队：一是位于位于成都的核工业西南物理研究院，二是合肥的中科院等离子体物理研究所。三是绵阳的中国工程物理研究院的神光III项目。核工业西南物理研究院和中科院等离子体物理研究所采用的是磁约束托卡马克技术路线，中国工程物理研究院采用的是惯性约束路线。

中科院等离子体物理研究所主要从事高温等离子体物理、磁约束核聚变工程技术及相关高技术研究和开发，研究建造了世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置“东方超环”（EAST，先进超导托卡马克实验装置），在2021年实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行和1.6亿度20秒等离子体运行。

中国工程物理研究院“神光-III”主机装置于2007年开始设计并于2015年建设完成，是中国巨型光学工程的典型装置之一。这标志着我国已全面掌握二代巨型激光装置总设、总成、总控等核心技术。整个装置的总体规模与主要性能仅次于美国LLNL的NIF装置。该装置用于开展高能量密度物理和惯性约束聚变研究。该工作主要由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担，该研究中心是我国专业从事惯性约束聚变理论、实验、设计、生产的综合性研究机构，是目前国内唯一的专业化激光聚变研究所。该所在成都也建有分部。“神光-III”比较特殊，不仅用于核聚变研究，还有其他用途，暂不多表。

本文的重点是成都的核工业西南物理研究院。

核工业西南物理研究院的历史

核工业西南物理研究院建院于二十世纪六十年代中期，隶属中国核工业集团公司，是我国最早从事核聚变能源开发的专业研究院。在国家有关部委的支持下，依托核工业体系，经过40多年的努力，拥有较完整的开展核聚变能源研发所需的学科及相关实验室，先后承担并出色完成国家“四五”重大科学工程项目“中国环流器一号装置研制”及“十五”“中国环流器二号A(HL-2A)装置工程建设项目”建设任务，取得了一批创新性的科研成果，实现了我国核聚变研究由原理探索到大规模装置实验的跨越发展，是我国磁约束核聚变领域首家获得国家科技进步一等奖的单位。

核西物院是国家核能“三步走”发展战略中聚变堆研发的核心单位，也是我国参与国际热核聚变实验堆（ITER）计划的重要支撑单位。

核西物院原位于四川省乐山市郊区，“七五”期间部分迁至成都市，九十年代于成都市近郊新建了聚变研究实验基地。全院现有职工1700余人，科技人员1100余人，其中中国科学院院士1人,研究员72人，副研究员及高级工程师155人。

核工业西南物理研究院的成果

核西物院在40多年中先后发展了多种类型的磁约束聚变研究装置，先后成功建造并运行了中国环流器一号（HL-1）、新一号（HL-1M）、二号A（HL-2A）、二号M（HL-2M）核聚变研究装置。

1984年建成的中国环流器一号（HL－1）和1994年建成的中国环流器新一号（HL－1M）两个中型托卡马克装置及其实验研究成果，代表了当时我国磁约束聚变实验研究的水平，处于国际上同类型、同规模装置的先进行列，并在探索可控核聚变的道路上取得了重要进展。

我国第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置中国环流器二号A（HL－2A）于2002年建成。HL－2A在国内托卡马克装置上首次实现高约束(H模)运行模式，获得的等离子体储能达40kJ，离子温度达2.8keV以上，等离子体约束改善因子达2。这是我国磁约束聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展。

2020年12月4日14时02分，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电，标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。中国环流器二号M装置是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，是我国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置，采用更先进的结构与控制方式，等离子体体积达到国内现有装置2倍以上，等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可达到1.5亿度，能实现高密度、高比压、高自举电流运行，是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置。

2021年10月19日下午，中国最新一代“人造太阳”（HL-2M）科学研究取得了突破性进展，等离子体电流成功突破100万安培，创造我国该装置运行的最高、最新记录。