这是有“人造太阳”之称的全超导托卡马克大科学装置EAST（8月16日摄）。 新华社发（马启兵 摄）
近日，中科院合肥物质科学研究院发布最新消息，中国“人造太阳”——EAST装置经过4个多月的物理实验，实现电子温度1亿摄氏度等离子体运行，实现高约束、高密度、高比压的完全非感应先进稳态运行模式，朝未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。
为何要建“人造太阳”？它能否解决人类能源的终极问题？让“人造太阳”照亮生活，人类还有多长的路要走？
探寻人类终极能源
伴随工业社会的到来，人类对能源的依赖日益加深，大量开发煤炭、石油和天然气，并将其转化为电力等二次能源。但是，一次能源是地球在亿万年演化过程中形成的宝贵资源，是不可再生资源，并非取之不尽、用之不竭。
“长期来看，世界性的能源危机是客观存在的。能源危机究竟何时来临，仅仅是一个时间早晚的问题。”省科学院激光所学者郭辉说。
有没有可能一劳永逸地破解人类能源短缺的困局？
众多科学家认为，以现有的科技发展水平而言，最有可能成为人类终极能源的是核能，即通过核反应从原子核释放的能量。
核能可以通过三种核反应释放。其中，核裂变是指较重的原子核分裂释放结合能，比如原子弹爆炸；核聚变是指较轻的原子核聚合在一起释放结合能，比如氢弹爆炸；核衰变是指原子核自发衰变过程中释放能量，因其通常是一个缓慢的过程，释放的能量量级也较低。
“目前，受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用实现了商用化，如核(裂变)电站。”郭辉说。据媒体报道，目前，全世界大约16%的电能是由核反应堆生产的，有9个国家的40%多的能源生产来自核能。
相比火力发电，利用核(裂变)电站发电的好处不言而喻。例如，1公斤铀原子核全部裂变释放出的能量，约等于2700吨标准煤燃烧时所放出的化学能。据此推算，一座100万千瓦的核电站，每年只需25吨至30吨低浓度铀核燃料，运送这些核燃料只需10辆卡车；而相同功率的煤电站，每年则需要300多万吨原煤，运输这些煤炭，要1000列火车。
但核(裂变)电站发电的安全风险始终是挥之不去的阴影。比如苏联切尔诺贝利核电站、日本福岛第一核电站等核泄漏事故的发生，都曾引发大众对核安全的担忧。
此外，裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料，这些因素都让裂变能难成完美。
正因如此，越来越多的科学家和能源专家开始将目光投向核聚变。
“其实，我们每天都在享受核聚变带来的能量。”郭辉说，太阳每日东起西落，普照大地，孕育自然万物，其能量就源自内部时刻不停的核聚变反应。
核聚变的原料主要是氢的同位素——氘和氚。而这两种元素在地球上储量丰富。以氘为例，它是海水中重水的组成元素，海水中大约每6500个氢原子中有1个氘原子。每升水约含30毫克氘（产生的聚变能量相当于300升汽油），全球储量就达40万亿吨。按此计算，一座1000兆瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304公斤，海水中的氘足够人类使用上百亿年。
而相比核裂变，核聚变反应释放出的能量也更为巨大。据测算，1公斤煤只能使一列火车开动8米；一公斤裂变原料可使一列火车开动4万公里；而1公斤聚变原料可以使一列火车行驶40万公里，相当于地球到月球的距离。
于是，科学家们大胆设想：能否在地球上建造一个“人造太阳”，为人类源源不断地提供清洁能源、造福后代子孙？
“这是人类极有可能实现的美好愿望。”郭辉说，多个国家已积极开展相关研究，致力于实现聚变能的和平利用。
专家还表示，核聚变比核裂变产生的核废料更少，放射性也会在短时间内消失，是一种更清洁安全的核能源，“这也正是‘人造太阳’能被全球科学家视为终极能源，可一劳永逸地破解即将到来的能源危机的原因。”
打造中国“人造太阳”
人类既然已经能够利用核聚变的巨大威力制造武器——氢弹。那么，是否也能利用核聚变建立核电站呢？
“答案是完全有可能的。但问题的关键在于，如何采用可控的核聚变方式，实现平稳、持续的能量输出。”郭辉说。
太阳是典型的核聚变产物，中心温度高达1500万摄氏度，约有3000亿个大气压，形成了一个核反应区。在这个核反应区内，不断进行着4个氢核聚变成一个氦核的热核反应。据估算，太阳每秒约有6亿吨的氢经过热核聚变反应为5.96亿吨的氦，从而产生大量的光和热，为整个太阳系带来了巨大的能量。
但是，在地球的自然环境条件下，不可能产生太阳中心那样巨大的压力，因此必须有更高的温度，才能实现持续的核聚变反应。“一般来说，聚变燃料要加热到1亿摄氏度以上才能产生连续的核聚变反应，而这种极高的温度和巨大的能量释放，是地球上任何材料都难以承受的。”郭辉说。
既然如此，怎样才能实现“人造太阳”？
20世纪50年代，科学家发明了环形磁约束受控核聚变实验装置，这一形如面包圈的环形容器被命名为托卡马克。经过半个多世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实。
“简单来说，就是把一团上亿摄氏度的等离子体火球，用磁场悬浮起来，跟周边的任何容器材料不接触。这时，就可以对它加热、控制，进而实现受控的核聚变。”郭辉说，EAST就是我国自主设计、研制并拥有完全知识产权的世界第一个非圆截面全超导托卡马克。
EAST高11米、直径8米、重达400吨，集超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超高真空5个极限于一身。其独有的非圆截面、全超导及主动冷却内部结构三大特性，可为受控核聚变相关的前沿物理问题研究，以及未来稳态、安全、高效的商业聚变堆提供物理和工程技术基础。
专家介绍，超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，是受控热核聚变能研究的一个重大突破。超导托卡马克可使磁约束位形能连续稳态运行，是公认的探索和解决未来聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。
人们本来设想，既然有了“面包炉”，只需把氘、氚放入炉内加火烤制，把握好火候，能量就应该流出来。其实不然，科学家发现，在加热等离子体的过程中能量耗散严重，温度越高，耗散越大。一方面，高温下粒子的碰撞会使等离子体的粒子一步一步地横越磁力线，携带能量逃逸；另一方面，高温下的电磁辐射也要带走能量。因此，怎么把氘、氚等离子体加热到所需的温度成了件难事。
此次，EAST在实验中刷新纪录的正是实现了“电子温度1亿摄氏度等离子体运行”。它是怎么做到的？
据了解，实验通过优化稳态射频波等多种加热技术，实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，在电子回旋与低杂波协同加热下，等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度，并有效拓展了适应于聚变堆高性能等离子体稳态高约束模式的运行区间。
专家以“面包炉”来举例：想要让“面包炉”内部足够热，方法有两个，即提高加热效率、让热量更慢跑出去，“而EAST采用的电子回旋与低杂波协同加热两项技术，所达到的正是这两个目的。”
用上“人造太阳”尚需时间
事实上，这并非EAST首次引来世界关注的目光。
此前，它就曾先后创下多项托卡马克运行的世界纪录：2012年实现30秒高约束等离子体放电；2016年获得60秒的完全非感应电流驱动（稳态）高约束模等离子体；2017年创造了101.2秒高约束模等离子体运行的世界纪录……
尽管如此，科学家们仍将研究可受控聚变形容为人类漫长的“夸父逐日”。据了解，截至目前的托卡马克装置都是脉冲式的，等离子体约束时间很短，大多以毫秒计算，个别可达到分钟级。因此，还没有一台托卡马克装置能够实现长时间的稳态运行。
而包括中、美、法等多国在内的众多科学家们也越来越意识到，仅靠一国之力，很难完成受控聚变实验堆的任务。为携手为人类明天奋斗，国际热核聚变实验堆（ITER）计划由此而生。
专家介绍，高约束模是ITER 的基本运行模式，为实现稳态运行并达到有效的偏滤器热量排除，ITER将采用射频波主导的低动量注入运行模式以及主动水冷的钨偏滤器结构。
虽然EAST只有ITER的1/4大小，但麻雀虽小，五脏俱全，它的成功经验已经开始支撑ITER的建设。比如，研制出可通过90千安电流的高温超导电流引线，使ITER制冷电耗每年减少2/3以上；证明ITER磁体电源设计方案存在的风险，并设计出新方案。
据媒体报道，我国下一代核聚变装置——中国聚变工程试验堆（CFETR），已于2011年开始进行设计研究。在过去的几年里，项目集中了我国磁约束聚变研究的骨干力量，形成了目标明确的国家队，在吸收消化ITER和国际磁约束聚变堆设计和技术的基础上，大胆创新，完成的CFETR设计方案可与ITER相衔接和补充。同时，该项目还推动了广泛国际合作，世界聚变研究发达国家美国、德国、法国、意大利等已经全面参与CFETR的设计；俄罗斯同行也表示未来更加深入参与CFETR计划。
目前，CFETR装置已经完成设计研究并开始了工程化设计，有望在未来几年启动。中科院等离子所副所长宋云涛此前在接受媒体采访时曾表示：“有了它以后，（核聚变）有望在50年到60年之后实现商用化。” （记者 张怀琛）
