中国环流三号建成后取得的重要成果

　　材料来源：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所

　　图三

　　图四

　　地球上的石油、煤等化石能源耗尽后，人类靠什么生活？一种被称为“托卡马克”的“人造太阳”实验装配，承载起人类迈向能源自由的妄图。近期，我国托卡马克核聚变实验装配取得重大年夜成果：新一代“人造太阳”中国环流三号（HL—3）实现等离子体电流1.6兆安，达到国际领先程度，等离子体电流、聚变“三乘积”等核心参数再上新台阶；东方超环（EAST）初次实现1066秒长脉冲高束缚模等离子体运行，再次创造了托卡马克装配新的世界记载。本期“瞰前沿”聚焦国表里“人造太阳”的最新研究进展，看看人类距离可控核聚变还有多远。

　　2024年，科技部、工业和信息化部、国务院国资委等七部分结合宣布《关于推动将来家当立异成长的实施看法》，指出加强推动以核聚变为代表的将来能源关键核心技巧攻关。实现聚变能源应用是我国核能成长“热堆—快堆—聚变堆”三步走计谋的最终目标。

　　可控核聚变作为典范的前沿性、颠覆性技巧，将来一旦实现应用，将彻底改变世界能源格局，保障我国将来能源安然。

　　“人造太阳”从“核”而来

　　用1升水“释放”燃烧300升汽油的能量

　　核聚变是将较轻的原子核聚合反响而生成较重的原子核，并释放出巨大年夜能量。

　　1952年，世界上第一颗氢弹成功试爆，让人类熟悉到氘氚核聚变反响的巨大年夜能量。但氢弹爆炸是弗成控的核聚变反响，不克不及供给稳定的能源输出。从此，人类便致力于在地球上实现人工控制下的核聚变反响（即可控核聚变），欲望应用太阳发光发烧的道理，为人类铺展能源自由之路。是以，人们也将可控核聚变研究的实验装配称为“人造太阳”。

　　氘氚聚变作为能源，具有明显优势。起首，氘氚聚变所需燃料在地球上的储量极为丰富。氘大年夜量存在于水中，每升水可提掏出约0.035克氘，经由过程聚变反响可释放相当于燃烧300升汽油的能量；氚可经由过程中子轰击锂来制备，在地壳、盐湖和海水中，锂大年夜量存在。其次，氘氚聚变反响不产生有害气体，无高放射性活化物，对情况友爱。

　　然而，“人造太阳”保持自身燃烧的前提异常苛刻。英国科学家劳逊在20世纪50年代研究了这一前提的门槛——也被称为聚变焚烧前提。据计算，实现可不雅的氘氚聚变等离子体离子温度要大年夜于1亿摄氏度，等离子体密度、温度和等离子体能量束缚时光的乘积（“三乘积”）大年夜于5×1021千电子伏特·秒/立方米。

　　——编 者

　　数十年来，国际上摸索了浩瀚核聚变路线。今朝，实现核聚变反响重要有引力束缚、磁束缚、惯性束缚3种方法。太阳因本身质量巨大年夜，可经由过程巨大年夜引力，在极端高温高压的情况下产生引力束缚核聚变反响。而在地球上，实现可控核聚变重要有磁束缚核聚变、激光惯性束缚核聚变两种方法。激光惯性束缚核聚变可以采取激光作为驱动器紧缩氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等离子体的惯性束缚时光内实现核聚变焚烧燃烧。采取强磁场束缚等离子体的办法把核聚变反响物质控制在“磁笼子”里面，就是磁束缚核聚变。

　　门路依旧充斥挑衅

　　“稳态矜持燃烧”是源源赓续获取聚变能的关键

　　在浩瀚技巧门路中，托卡马克是经由过程等离子体电流和外部磁体线圈产生的螺旋磁场束缚聚变燃料离子，被认为有望率先实现聚变能源的应用，也是今朝全球研发投入最大年夜、最接近核聚变焚烧前提、技巧成长最成熟的门路。

　　托卡马克最初是由苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代创造的，是一种应用磁场束缚带电粒子来实现可控核聚变的环形容器。当前，世界上建成并运行了跨越50个不合范围的托卡马克装配，不合托卡马克装配的几何尺寸、等离子体束缚机能等也各有不合。今朝中国运行的托卡马克重要包含惯例托卡马克和球形托卡马克。

　　自托卡马克开展实验以来，等离子体综合参数赓续晋升，“三乘积”晋升了几个数量级，逐渐趋近焚烧前提。欧洲的JET与美国的TFTR装配上获得氘氚聚变功率输出，揭示了托卡马克磁束缚可控核聚变路线的道理可行性。2021—2023年，JET创造了69兆焦耳聚变能输出的世界记载。

　　托卡马克磁束缚核聚变研究固然赓续取得冲破，但前方的门路依旧充斥挑衅。堆芯等离子体“稳态矜持燃烧”是源源赓续获取聚变能的关键，实现该目标重要有五大年夜类问题须要解决。

　　“一团刺眼的白光从山脉尽头升起……”在科幻小说《三体》中，太空飞船核聚变发念头发出的光线如同太阳。应用核聚变等技巧，人类走出地球家园，走向广袤宇宙。

　　一是等离子体非感应电流驱动问题。等离子体电流由欧姆驱动电流和非感应驱动的电流构成。欧姆驱动电流是基于变压器道理，经由过程等离子体外部线圈电流变更感应而来的。对于非感应电流驱动，一部分可以经由过程外部的高功率微波和中性粒子束注入来驱动，另一部分则来自等离子体自身压强梯度产生的“自举电流”，实验上欲望等离子体本身供给的这部分电流份额越高越好。

　　万物发展靠太阳。太阳之所以能发光发烧，是因为内部的核聚变反响。核聚变能具有资本丰富、情况友爱、固有安然等凸起优势，是人类幻想的将来能源。假如能造一个“太阳”来发电，人类有望实现能源自由。

　　二是加料与排灰问题。聚变等离子体被束缚在真空室内，形成一种类似“甜甜圈”的外形。在“甜甜圈”环向轴中间肠位邻近的等离子体密度和温度最高，越往界线参数越低。传统加料方法注入的中性气体氘和氚，难以深刻等离子体芯部，其燃烧效力难以进步。同时堆芯等离子体聚变反响，会产生大年夜量的氦，也被称为氦灰。氦灰轻易聚积在芯部，导致等离子体机能退化，甚至激发等离子体熄灭。

　　三是等离子体与材料互相感化问题。聚变堆运行时代，一些携带高能量的粒子可能冲破磁场的束缚，撞击在聚变装配的内部部件上，对这些部件材料造成威逼。同时，假如聚变堆运行时代产生的粒子与材料互相感化在等离子体边沿产生大年夜量杂质，这些杂质会稀释燃料离子的浓度，使聚变等离子体机能明显降低，聚变功率难以稳定保持。

　　四是阿尔法粒子物理问题。阿尔法粒子是氘氚聚变的带电粒子产品氦（携带3.5 百万电子伏特能量）的别称。今朝，因为经久缺乏合适的实验平台开展相干实验，燃烧等离子体阿尔法粒子物理研究深度还不敷，相干的科学问题还须要在氘氚聚变实验装配长进一步验证。

　　五是大年夜标准磁流体不稳定性和大年夜决裂控制问题。聚变等离子体中还存在大年夜量的不稳定性，这些“不稳定性身分”会在不合程度上破坏核聚变反响的平安稳定运行。

　　摸索交叉范畴

　　人工智能崭露头角

　　近年来，为开展“稳态矜持燃烧”问题的研究，国际上各大年夜装配实验向着更高参数迈进。我国的中国环流系列、东方超环等可控核聚变装配运行赓续取得冲破，如国内当前范围最大年夜、参数才能最高的中国环流三号初次实现100万安培等离子体电流高束缚模运行，创造我国磁束缚聚变装配运行记载。2023年在欧盟与日本合建的当前范围最大年夜托卡马克JT—60SA上也实现了100万安培等离子体放电。2025年1月，东方超环创造了1066秒的高束缚模等离子体运行记载。

　　近年来，人工智能在可控核聚变研究范畴展示出强大年夜的赋能感化。深度进修、扩散模型等前沿技巧被应用于高精度等离子体模仿法度榜样的加快计算等场景，带来技巧冲破。

　　2019年，哈佛大年夜学与普林斯顿等离子体物理实验室的研究团队，应用在美国运行的DIII—D托卡马克装配上练习出的深度神经收集模型，以跨越90%的精确率预警了JET装配的决裂事宜。2022年，谷歌旗下DeepMind团队与瑞士联邦理工学院合作应用强化进修智能体在TCV托卡马克上实现了限制器、惯例偏滤器、先辈偏滤器甚至双环等离子体位形的控制。2024年，韩国中心大年夜学与普林斯顿等离子体物理实验室的研究团队应用深度进修办法，在KSTAR与DIII—D托卡马克上成功猜测了扯破模不稳定性的增长概率，并结合强化进修算法，在晋升等离子体比压的同时对扯破模增长概率进行控制。

　　国内机构、高校也在聚变与人工智能交叉范畴开展了大年夜量摸索。中核集团核工业西南物理研究院将决裂猜测、均衡反演代理模型、边沿局域模及时辨认与控制等人工智能模块应用于核聚变装配的控制运行，有效解决了部分控制问题。

　　瞻望将来，可控核聚变一旦实现应用，将为人类供给丰富、干净的幻想能源。科幻中的将来科技，或许能在可控核聚变的支撑下成为实际。

　　（作者钟武律，为中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所所长）

　　■链接

　　中国环流三号

　　中国环流三号（图三）是今朝我国范围最大年夜、参数最高的托卡马克装配，由中核集团核工业西南物理研究院自立设计、建造和运行，装配总高8.39米，直径8米，等离子体离子温度可达1.5亿摄氏度。

　　中国环流三号2020年建成后，多次刷新我国可控核聚变装配运行新记载。2023年12月，中核集团核工业西南物理研究院与国际热核聚变实验堆（ITER）总部签订协定，宣布中国环流三号作为ITER卫星装配面向全球开放。

　　东方超环

　　东方超环（图四）是我国自立研发的世界上首个全超导托卡马克核聚变实验装配。该装配由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自立设计、研制，拥有完全常识产权。

　　东方超环基于磁束缚核聚变道理工作。近年来，东方超环在等离子体的参数如温度、密度、持续放电时光上赓续取得冲破。东方超环的扶植和投入运行动世界稳态近堆芯聚变物理和工程研究搭建起一个重要的实验平台，使我国成为世界上第一个控制新一代先辈全超导托卡马克技巧的国度。

Tags： “人造太阳”：能源自由的愿景