4 月 12 日 21 時，正在運行中的的全球首個全超導托卡馬克裝置 EAST，在穩態長脈沖高約束模式下，實現等離子體穩定運行 403 秒，創造了托卡馬克裝置穩態高約束模式運行新的世界紀錄。此前 101 秒的世界紀錄，也是由 EAST 于 2017 年創造的。EAST 是中國新一代可控核聚變研究裝置，由中科院合肥物質科學研究院自主研制，于 2006 年 9 月 28 日取得首輪物理放電實驗的成功。

斯圖爾特?克拉克

趙佳明

也許有的朋友會問，這個 403 秒意味著什么？這個 403 秒意味著，人類距離利用可控核聚變產生能量又近了一步，可能可控核聚變發電很快就會成為現實。

我們為什么需要核聚變？

要回答這個問題，首先要了解什么是核聚變。核聚變就是兩個質量較輕的原子合二為一，同時釋放大量能量的過程。太陽和其他恒星就是通過核聚變來發光放熱的。如果我們能在地球上“復制”這一過程，將產出大量能量。這是我們需要核聚變的第一個原因。

氣候變化和能源安全也促使人們轉變了觀念，開始接受核聚變。對于氣候變化來說，核聚變能提供豐富的清潔能源。同火力發電等發電模式相比，幾乎沒有溫室氣體的排放。核聚變還可以和太陽能、風能等其他可再生能源聯合使用。至于在能源安全方面，隨著全球能源需求的急劇增長，一旦化石能源枯竭，就必須依靠核聚變能源了。

其實，我們利用核能不是最近的事，現在世界各地運行的核電站正是通過核裂變來發電的。不過，相較于核聚變，核裂變存在安全問題、核廢料處理問題，以及核原料的取材問題。因此，科學家都把關注點轉移到了核聚變上來。

為什么可控核聚變難以實現？

現在我們已經知道，核聚變發生的條件是像太陽內部那樣的極端高溫、高壓、高密度?？墒牵嗽斓暮司圩兎磻褵o法復制這樣的壓力和密度條件。比如，在 JET的內部，氣體的密度和反應堆外的普通大氣差不多。那么，要想實現核聚變反應，反應堆內的溫度就得超過 1 億℃。在這樣的溫度條件下，氣體會變成等離子體。這時，可以用磁場來約束它們。

因為任何一種材料一旦觸碰到溫度超過 1 億℃的等離子體，都會熔毀，所以只能通過磁場來約束等離子體。同時，磁場還能使等離子體加速流動，為核聚變創造條件?？梢?，在核聚變反應堆中，磁場很重要。這次 EAST 創造的新世界紀錄就是關于磁場約束等離子體，從而穩定運行的。這是利用可控核聚變產生能源的關鍵。

此外，現階段的核聚變發電還存在“投入產出比”不協調的問題:反應堆雖然能產出大量能量，但滿足自身運轉需要投入更多能量。為了解決這個問題，多國聯合出資，正在法國南部建造國際熱核聚變反應堆，預計在 2025 年投入運行。在剛開始運行的 10 年間，科學家會逐步提升反應堆的運行功率，最終讓它滿負荷運行?？茖W家估計，ITER 最終輸出的能量，將是啟動核聚變所需能量的 10 倍以上。

近年，科學家和私營企業為了盡早實現可控核聚變，采取了一些新的嘗試。

• 在托卡馬克裝置中，磁場強度越強，對等離子體的約束就越強，這樣反應堆就可以設計得更小。英國托卡馬克能源公司和其他幾家實驗室合作，研發出了一種叫作高溫超導磁體的設備，這些磁體能產生強力磁場，強度可達地球磁場強度的 100 萬倍。通過這種磁體，托卡馬克能源公司利用一座小型反應堆，讓等離子體的溫度升到了約 1 億℃。

• 啟動核聚變反應有幾種不同的方法。除了在托卡馬克裝置中讓等離子體加速旋轉外，還有一種方法叫慣性聚變 —— 核燃料液滴會被擠壓，這樣溫度和密度就會變大，達到核聚變的條件。美國的 First Light Fusion 公司，通過射擊實現了擠壓 —— 子彈會從一支超高速槍中射出，擊中含有核燃料的目標。子彈擊中目標后，能讓核燃料以每秒 70 千米的速度發生內爆，引發核聚變，釋放能量。

• 一旦核聚變反應堆投入運行，人類就不能進入反應堆了。因為氘-氚核聚變反應會釋放大量中子和能量，產生強烈的短時輻射，對人體有害。所以，需要機器人代替人類完成某些工作。為此，科學家和工程師研發了機械臂，代替人類的工作。比如，RACE 機構研發的巨大機械臂 MASCOT。

• 如果把人工智能技術融入機器人，機器人會更敏捷、更自動化。擁有了更先進的人工智能技術，核聚變反應堆的控制系統或許就可以根據等離子體狀態的快速變化隨時做出調整，這樣就能讓核聚變反應盡可能維持在最高效率。