人工「種太陽」！為什麼說中國最有希望製造出世界終極能源？

11月24日，中央新聞頻道一條「中國『人造太陽』冉冉升起，未來能源的曙光」的信息引起國內外的廣泛關注，人們對此產生無數疑惑。

古時候有后羿射日，是為了不讓過多的太陽曝晒大地導致旱災民不聊生；而幾千年之後，人們卻開始研究如何「人造」太陽？

什麼是人造太陽呢？人造太陽是為了什麼呢？讓它懸掛在天上為人們提供熱量嗎？這樣的太陽會不會導致全球變暖形勢更加嚴重呢？它的存在對人類而言究竟是利是弊？

什麼是人造太陽？

面對一大堆的各種疑問和不解，我們首先需要知道的事，什麼是「人造太陽」。

「人造太陽」也叫「托卡馬克」裝置，其實是一種由人類控制的、模擬太陽在發光發熱過程中發生的一系列反應而製造出來的核聚變研究裝置。

兩個原子核相撞，發生聚合反應時能釋放出巨大的能量，而這個能量正如太陽釋放出的能量一樣，原料不受限制、產物不污染環境、不產生高放射性核廢料，可以為人類的生存提供必需的光源與熱量。也正是因此，它才得了個小名「人造太陽」。

其實整個人類對「人造太陽」——核聚變能源的研究早在20世紀50年代就開始了。那時美國成功試爆了世界上第一顆氫彈，從而發現了氫彈爆炸帶來的能量資源，但是這樣的爆炸是不受人類所控制的。做武器那是無敵的，可用來發電那多少有點異想天開了。

雖然不能成為有效能源的來源，但首顆氫彈的爆炸卻開啟了人類研究可控核聚變能源的研究之路。

從少數大國秘密研究到世界各國合作參與——ITER計劃

中國的「人造太陽」之路同樣始於上世紀50年代，至今已經將近70年。1956年，中國在錢三強等科學家的倡導下開始「可控的熱核反應」研究，1965年，中國專門研究核聚變能源開發的專業研究院在四川成都成立；1984年，我國核聚變領域的第一座大科學裝置——用於通過磁場約束核聚變的中國環流器一號（HL-1）在核工業西南物理研究院落成。

時間來到2006年，中國與美國、俄羅斯、歐盟、韓國、日本、印度一同簽署了全球最大的「人造太陽」——國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。這意味著全世界主要持核國家和覆蓋人口近全球一半的幾大國家都共同聯合起來，群策群力地參與了到對核聚變這一未來能源的研究之中。

作為目前世界上規模最大的、影響最重要的國際能源合作項目，國際熱核聚變實驗堆計劃的建造需要至少整整十年的時間、五十億美元的資金，值得一提的是，這是1998年的五十億美元。這個龐大的實驗堆需要大約100萬個部件，和至少1000萬個零件，而自2006年草簽也就是正式執行之日起，各國都開始為了實驗堆的安裝而「在家」悶頭準備各自負責的部分。

在核聚變能源「人造太陽」項目上，中國為什麼最有希望

【1】中國負責的ITER項目核心部件已完成首件製造

中央電視台新聞中所提到的「冉冉升起」其實指的是由中國負責的國際熱核聚變實驗堆計劃的核心部件——增強熱負荷第一壁已經完成了首件全尺寸原型的製造。什麼是增強熱負荷第一壁？第一壁是指在核聚變中直接面對實驗堆內芯等離子體的真空室壁。它有多關鍵呢？第一壁能封閉等離子體，直接吸收等離子體釋放的20%能量。

大家都知道，核聚變實驗堆的溫度高達上億攝氏度，增強熱負荷第一壁的作用就是在距離反應堆一定距離的地方「容抱」等離子體上億度的超高溫，在經歷高溫輻射不融化的情況下還要保持性能——保證等離子體受強磁場約束在真空當中，持續地產生大規模反應。

如果沒有它的阻隔的話，實驗堆內芯氫離子體的噴濺輻射會造成極嚴重的腐蝕，外壁製造用材料什麼都無濟於事，只會被直接汽化。而連反應堆都無法隔離開來，就更別提控制核反應「人造太陽」了。

而這一件最關鍵的核心部件由中核集團核工業西南院完成製造，不僅比最初的設計要求更優秀，還實現了該部件的批量製造。目前，中國掌握的該項技術已經率先通過國際認證，這說明在此領域中國已經走在世界的前端位置。

【2】中國在ITER項目中的「保質保量」促進了組裝的進度

國際熱核聚變實驗堆計劃的規模還是十分龐大的，除歐盟以「團體」身份承擔了46%以外，其他的國家含中國在其中承擔了9%的工作，除了以上提到的難度賊大的「增強熱負荷第一壁」外，還涉及其他的設計、製造和建設任務。比如，中國承包了足有18個採購包的製造任務，參與到其中的高校、科研單位以及企業就有上百家。

可以說，中國在國際熱核聚變實驗堆計劃中扮演的角色不單單是重要而言，那叫舉足輕重。畢竟，是中國活生生地把實驗堆的組裝進度給拖了上來。

按原計劃，實驗堆早在2019年就應該組裝完成，沒停滯的話現在等離子體都已經不知道生產多少了。可是，疫情、政治加上各種突如其來的利益拉扯和意外，工期嚴重滯後，直到2021年7月，在法國總部的組裝才正式開始。

值得一提的是，就連這次終於到來的組裝，也是由實在看不下去了的中國與法國共同成立了中法聯合體，同原來的項目組織方簽訂協議：核心部件的製造與安裝都由我們中國來！搞快點！再按原計划下去，黃花菜都涼透了！

果然，核心任務交給中國之後，速度「蹭蹭蹭」地加快。今年5月，呈放整個「人造太陽」設備的「杜瓦底座」完工，7月中國從4月就運出的2台核心內饋線部件抵達法國，整個計劃的成員國等待已久的實驗堆組裝終於開始。

而這期間，是中科院、中科大等等離子相關單位不管疫情、不管節慶都守在法國收貨，加班加點地趕才保證了進度。

彷彿一夜之間，中國就從後加入的「跟跑」成員國轉變成為了「領跑」的人。但是對整個國際熱核聚變實驗堆計劃而言，開始組裝還只是第一步，之後還有近乎20年的操作試驗時間。其中變數不可謂不大，起碼要是另外幾個國家還這樣掉鏈子的話，估計時間還得往後拖。

【3】ITER「人造太陽」項目，中國獲益匪淺

作為全球首個可控核聚變發電技術的商用實驗項目，ITER真的是彙集了世界各國的物理工程精英以及管理人才。許多人對此卻產生了一個新的疑問：這麼多國家參與，那成功之後的專利屬於誰？中國能分得一杯羹嗎？

中國在核聚變領域展現出一定的能力之後，正式地站上了世界的核聚變舞台。加入ITER項目後，更是用「增強熱負荷第一壁」打響了響亮的第一槍。而這一槍，真正將「核聚變第一壁」和「可控核聚變發電裝置」兩項關鍵技術打進了我們自己的口袋裡。毋庸置疑的是，這兩項技術是中國自主掌握的工藝和原理，其中涉及到的發明專利必然屬於中國申請。

而在專利之外，中國在ITER勤勤懇懇「打工」獲得的更多東西才是受益匪淺：如何實現氚元素在公斤級別的提取、分離、循環；如何實現氘、氚等元素從毫米到噸級遠程自動控制與操作；包括超高真空技術、超大型低溫技術等……而這些技術一旦獲知，中國將實現大邁步的跨越。

中國的「人造太陽」從來就沒有放在同一個籃子里

【1】參加ITER前中國的「人造太陽」項目

中國積極加入ITER項目，一方面是確實因為參與更多才能學到更多，而另一方面也是因為中國在「人造太陽」項目上的技術的確已經出眾到了這幾大國家想要拉攏一起「搞事」的程度。

中國的第一個中型聚變研究裝置HT-7，是在前蘇聯解體後莫斯科的庫爾恰托夫研究所（原蘇聯科學院原子能研究院）贈送的托卡馬克T7的基礎上改進而來。說是改進都是謙虛的說法了，據說送來時和廢掉的破銅爛鐵差別不大，中國的核工團隊重新設計、改造，下了許多功夫才終於在1994年建成HT-7，因為建在中科院所在的安徽合肥，所以人送外號「合肥超環」。

「合肥超環」在1993年被12位國際核聚變科學家組成的評估小組一致認為是「發展中國家最先進的托卡馬克裝置」，中國也因此成為在俄國、法國和日本日之後第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家。

在HT-7之後，中科院團隊想要製造出中國自主設計、自主研製並擁有完全知識產權的「托卡馬克」的決心越發明顯。因為HT-7的部分部件還是屬於前蘇聯才有的技術，一旦出現故障還是得請俄羅斯的專家來修。也是抱著這樣的決心，中國的團隊於2006年建成了「東方超環（EAST）」。

「東方超環」從誕生到現在打破了多項世界紀錄，包括但不限於實現加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，等離子體中心電子溫度達到1億攝氏度；以及在1億度超高溫度下運行了近10秒。這意味著，核聚變速度越快，產生的溫度越高，就越容易爆炸，釋放的能量也就越大。而且這種能源釋放是可以受到人類控制的，從物理以及工程基礎上而言，這是可以邁向商業用途的一大步。

【2】參加ITER後，中國的CFETR項目

無論是「合肥超環」還是「東方超環」，它們的建設都為核聚變領域培養了更多的人才以及累積更多的經驗。因此，在參與國際熱核聚變實驗堆計劃的同時，中國也在籌備自己設計的聚變工程實驗堆——CFETR。得益於在ITER「打工」的日子，我們學到了不少，也正準備用到自己的身上。

CFETR項目由國內的中科大、中科院等離子所、核工業西南物理研究院以及綿陽9院主導，多家高校及軍工企業所參與的，計劃在2035年前完成建設，2050年前完成試驗。

而與此同時，「東方超環」的實驗項目仍在繼續，率先實現了國際上百秒量級的高約束模式運行；由核西物院主持的「托卡馬克」——中國環流器二號M裝置也於2020年在成都建成並放電，如今離子體電流已突破 100 萬安培……在磁場的高約束模式下運行越快、電流傳輸越多，越能夠證明之後的磁約束情況下核聚變發電的安全性。

目前全球大部分國家都有自己的核聚變實驗裝置，例如俄羅斯的T-15，日本的JT-60U等，但唯有中國的聚變實驗堆是在將實驗與模型向現實與實用推進，這也正是中國核聚變實驗堆建設的意義——以建設商業聚變實驗堆為目標。

國內的物理工程領域有一個經久不衰的段子「實現可控核聚變永遠還要五十年」，人們每每看到相關的新聞說有了進一步突破時，也會說起這個梗「但願我這是最後五十年」。

雖然聽來有些悲哀，但主要有無數的核工人在殫精竭慮地為此努力，甚至「燃燒」自己，那每一點的進步就都算得上是希望。

人類對於核裂變反應利用率的研究也在近年來不斷增長，對於核聚變的剛性需求也在不斷顯現。這一切，都是中國乃至世界從未放棄「人造太陽」項目的原因。

參考資料：

1. 陳科：「人造太陽」ITER核心部件首件中國製造完成，科技日報
2. 唐琳：我國「人造太陽」裝置創造世界新紀錄，科學新聞. 2022,24(03)
3. 羅旭：在中國點亮第一盞「聚變之燈」——記「中國青年五四獎章集體」的新一代「人造太陽」中國環流器二號M裝置研製團隊，國防科技工業. 2022,(06)
4. 張宣：可控核聚變為何被稱為「終極能源」，新華日報
5. 可控核聚變為何被稱為「終極能源」，科學大觀園. 2022,(02)
6. 宋執權：中國與國際熱核聚變實驗堆組織合作建設世界最大「人造太陽」，南方能源建設. 2022,9(02)
7. 人造太陽：中國走在世界前列，今日科技. 2020,(08)
8. 國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃從建造階段邁入裝配階段，河南科技. 2020,(23)
9. 中標ITER 中國企業為「人造太陽」裝「心臟」，中國高新科技. 2020,(01)
10. 高敬：中國首批「人造太陽」磁體支撐產品正式交付，科技傳播. 2018,10(12)
11. 我國成功研製國際熱核聚變實驗堆（ITER）大型超導磁體系統首個部件，機械製造. 2017,55(08)