钢铁侠战甲能源不仅是科幻 中国智慧点亮“人造太阳”

近期最火的电影要属《复仇者联盟4》，贯穿该系列多部作品的人气角色——钢铁侠的命运，牵动着亿万粉丝的心。你知道吗？为钢铁侠战甲提供能源的“方舟反应炉”并不仅仅是科幻，它在现实生活中的原型就是受控核聚变装置。

被称为未来能源的核能，主要有核裂变能和核聚变能两种形式。前者早已因各地兴建的核电站走进千家万户，而后者因其复杂的反应条件和更高的技术要求，至今仍处于实验阶段。由于与太阳发光发热的原理相同，受控核聚变实验装置又被称为“人造太阳”，是人类寻找能源出路的希望。

记者了解到，在开发核聚变能源的路上，中国已从“追赶者”“并跑者”，成长为具备强大国际输出能力的“领跑者”。科学家们数十年艰辛“逐日”，就是盼望核聚变能点亮的第一盏灯在中国。

核聚变为何这样难以控制，我们已经取得了哪些进展？日前，记者参加国务院国资委新闻中心组织的“科幻作家走进新国企”活动，来到位于四川省成都市的中核集团核工业西南物理研究院，探访核聚变研究的前世今生。

寻找理想的终极能源

能源危机被认为是人类社会发展面临的最大难题。地球上的煤炭、天然气、石油等化石能源终将枯竭，人类未来的命运聚焦在寻找更加持久的清洁能源上。

100多年前，爱因斯坦提出了著名的质能转换公式E=mc2，揭开了核能的面纱。

当前，核电站利用的核能都是核裂变——由较重的原子核(例如铀)裂变成较轻的原子核，从中释放出能量。然而，铀矿的储量有限，长远看难以满足人类的需求。

核聚变的过程正相反，而且单位质量下释放的能量比裂变高得多。太阳的光和热，就来源于氢的同位素氘和氚在聚变成氦原子过程中释放出的能量。

“与核裂变相比，核聚变的安全性高，废料处理成本低，原料更易获得。”核工业西南物理研究院院长刘永告诉记者，氘在海水中储量极为丰富，氘氚反应产物没有放射性，核聚变反应堆不会产生污染环境的硫、氮氧化物及温室气体。

有计算表明，从一升海水中提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300升汽油的能量。海洋中蕴藏了约40万亿吨氘，理论上用于聚变反应释放的能量足够人类使用上百亿年，几乎无穷无尽。

这意味着，如果受控核聚变能大规模实现，将从根本上解决人类的能源危机。聚变能源，就是人类梦寐以求的安全经济高效持久能源。

我国于上世纪90年代制定了热堆、快堆、聚变堆的“三步走”核能发展战略。其中，热堆与快堆都是裂变反应。目前，我国自主研发的“华龙一号”是第三代核电技术，处于核能第一步与第二步的衔接阶段。为了实现第三步，科学家们已投入半个世纪时间去探索研究。

追逐太阳的中国“聚变人”

来到成都前，记者设想的核聚变实验装置是藏在深山或埋在地下的。没想到，它就在成都市区核工业西南物理研究院的大楼里。

在占地面积上百平方米、三层楼高的实验室里，第二代中国“人造太阳”——中国环流器二号A聚变实验装置(HL-2A)首次对作家和媒体同时开放。“开发核聚变能源，造福子孙后代”的标语贴在墙上，各种管线、机柜围绕在一个巨型环状机器周围，令人眼花缭乱、心生敬畏。这是我国能源战略发展的重要研究设施，为核聚变研究提供了实验平台。

“我们现在看到的机器是中国环流器二号A的核心装置。里面是环形的真空室，外面缠绕着线圈，就像一个平放的轮胎。”核工业西南物理研究院特聘研究员钟武律讲解说，整个装置还包括5兆瓦电子回旋加热系统、3兆瓦中性束注入系统、2兆瓦低混杂波系统、30万千瓦脉冲发电机组，以及30多种50余套诊断系统等。

环流器启动时，实验室完全封闭，任何人都不能进入。但通过实验室外中央控制室的大屏幕，工作人员可以看到核聚变装置的内部运行图像，两侧的分屏也会显示各种数据参数。

我们都知道，氢弹是靠原子弹做“引线”产生高温高压环境才得以发生聚变反应引爆的。连不受控的核聚变都需要如此苛刻的条件，受控核聚变的难度可想而知。

“1亿度以上的高温、长时间约束在有限的空间中、足够高的密度，受控核聚变的三大条件缺一不可。”刘永表示，如此高的温度下，物质已经成为等离子体，这是除固体、液体和气体之外的第四种形态。如何约束等离子体，就成了核聚变实验的重中之重。

自上世纪50年代起，英国、美国和苏联就投入了大量经费，研究核聚变等离子体的约束方法。在此过程中，人们对实现受控核聚变难度的认识也逐步加深。

目前，全球科学家研究实现受控热核聚变的技术方案主要有两种：磁约束聚变和惯性约束聚变。前者利用强磁场较长时间约束高温稀薄等离子体使之发生聚变反应。由苏联科学家提出的“托卡马克(Tokamak)”装置，是目前国际公认的最有可能率先实现商业聚变堆的技术路线。后者则利用多种高能量驱动方式形成高温高压环境，使氘氚靶丸实现热核聚变点火和燃烧，工程技术要求很高，商用可行性稍差。

记者了解到，中国环流器二号A于2002年建成投入使用，并在2013年进行了升级改造，其等离子体电子温度高达5500万度，这比太阳中心部的温度还要高近三倍。而在高密度条件下，等离子体温度一旦达到1亿度以上，可使数目可观的粒子具有足够动能克服原子核间斥力而实现核聚变反应，产生可观的聚变能。

刘永透露，核工业西南物理研究院将于今年底建成中国环流器二号M装置(HL-2M)，届时装置内等离子体温度将超过1亿度，具备开展堆芯等离子体研究的条件。

为最大“人造太阳”贡献中国智慧

受控核聚变研究一旦成功，受益的无疑是整个人类社会。因此，它需要世界各国共同推动、共同研究。正是基于这样的理念，“国际热核聚变实验堆计划(ITER)”诞生了。

ITER是规模仅次于国际空间站的一项重大的多边大科学国际合作计划，旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验堆。成立于2007年的ITER组织，由欧盟、中国、美国、俄罗斯、韩国、日本和印度参与。

“ITER是世界上在建的最大、最复杂的托卡马克装置，也是技术最先进的‘人造太阳’。它的体积接近天坛祈年殿的尺寸，高30米，直径28米，重达1万吨。”刘永介绍。

在七方共同努力播种“太阳”的进程中，中国的表现十分突出。

“我国承担了ITER装置9%的采购包制造任务，成为除欧盟外承担任务最多的国家。”刘永介绍，中方采购包任务中的所有涉核部件均由核工业西南物理研究院承担。

刘永说，自2010年12月以来，他们联合国内多家企业组成的团队，先后完成了从材料到制造工艺的系列认证，以及ITER磁体支撑采购包的生产制造任务，取得多项关键技术的重大突破，最终获得ITER国际组织的认可，为和平利用核能和人类可持续发展贡献了中国智慧和中国方案。

ITER组织总部位于法国南部的圣保罗-莱迪朗斯小镇，数千名来自不同国家的科学家、工程师和管理人员在这里埋头“筑梦”，当然也少不了中国科研人员的身影。

曾在ITER法国总部工作了近10年、最近刚回国的核工业西南物理研究院聚变科学所副总工程师周才品认为，中国在国际合作过程中，提升了科技创新能力、高端制造水平、国际项目管理能力和专业技术人才培养能力，为中国聚变堆建设提供强有力的技术及人才储备。

“通过参与ITER计划，中国在可控热核聚变领域的整体水平有了很大提升，部分技术已达到国际领先水平。”周才品说。

目前，中国已交付了组建国际热核聚变实验堆所需的馈线、磁体支撑等多种重要部件，有利于相关实验如期顺利开展。

ITER组织总干事贝尔纳·比戈此前曾多次表示，中国是这一世界最大“人造太阳”项目非常好的合作伙伴，中国交付相关产品按时保质，堪称合作各方的榜样。

如今，各国在开展ITER合作研究的同时，也在加速推进本国研究进程。“如果将来有一盏灯会被聚变之能点亮，期盼这盏灯在中国。”“聚变人”对我国受控核聚变的未来充满信心。