來源：北京日報

位於我國安徽合肥的緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）項目建設近日取得關鍵突破，引發廣泛關注。“杜瓦底座”研製成功並精準落位安裝，標誌著該項目主體工程建設步入新階段，也意味著我們離“人造太陽”的夢想又近了一步。

　　聚變是太陽發光發熱的核反應原理，而“人造太陽”是模擬這一過程的聚變裝置。科學家認為，聚變發電因具有清潔、無限的特點，是人類追求的終極能源。目前，國際上多個科研項目正在攻關相關技術。那麼，我國的BEST項目有何領先之處？它對於實現“人造太陽”有何助益？發展聚變能將怎樣重塑地球的能源未來？

▲我國緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）項目建設現場航拍圖

此次新聞中提到的杜瓦底座結構直徑約18米，高約5米，重400餘噸，是緊湊型聚變能實驗裝置主機系統中最重的部件，也是國內聚變領域最大的真空部件。杜瓦底座相當於裝置的“地基”，未來將承載整個主機6000餘噸設備的重量和絕熱功能。它落位安裝完畢後，主機核心部件也將陸續進場安裝。

那麼，科學家關注的聚變究竟是什麼？與常見的化學反應截然不同，聚變是原子核級別的反應，兩顆較輕的原子核結合到一起，會生成一顆較重的原子核。化學反應只涉及原子的外層電子，碰觸不到原子核，而聚變反應改變的是原子核本身。以太陽為例，它的中心時刻在發生氫核聚變為氦核的反應，氫逐漸減少，氦不斷增加，從化學的角度來看，這個反應式是配不平的。

當談到核反應時，人們的第一印象往往是排山倒海的能量。這個能量來自原子核內核子（包括質子與中子）的結合能，由四大基本相互作用（強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用）中的強相互作用驅動，強度遠超化學反應涉及的電磁相互作用。這個能量究竟有多強呢？在原子核尺度的1飛米（千萬億分之一米）距離上，兩個質子相互吸引的核力（強相互作用在核子外的剩餘力）比它們相互排斥的電磁力強約100倍。因此，若想把氦核掰成4個核子，就要施加遠超化學反應的巨大能量才能做到。反過來想，4個核子合併為氦核，則會釋放出同等巨大的能量。這個能量用愛因斯坦著名的質能方程E=mc²（能量=質量乘以光速平方）換算後，足以察覺質量虧損。舉個例子，讓1000克氫全部聚變，最後得到的氦只有993克左右，丟失的7克，實際上是以630萬億焦耳的能量形式釋放出來了。若把這個能量用於整個北京地區的城鄉居民生活用電，基本上可以支撐兩天。

另一種核反應與聚變的方向相反，它是由較重的原子核分裂為若干顆較輕的原子核，物理上稱之為裂變。如果裂變產物中有2個或以上的粒子能撞到其他原子核，引起更多新的裂變，那麼核反應還會以指數形式急劇增長，觸發“鏈式反應”。裂變的典型例子就是原子彈與核電站。

無論是聚變還是裂變，均能找到實例：宇宙中，包括太陽在內的所有恆星，每一顆都是碩大無朋的天然聚變反應堆；地球上，科學家在非洲加彭的奧克洛鈾礦區發現，那裡曾在17億年前自然沉積出一個天然裂變反應堆，以平均100千瓦的功率斷斷續續運行了幾十萬年。

實現人工聚變難在哪兒

人們對聚變的認識始於1920年英國科學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓對太陽發光發熱原理的猜想，那時的科學界尚未摸清原子核結構，甚至還沒有發現中子。相比而言，雖然科學家直到1938年才發現裂變現象，但對裂變的應用比聚變發展得快多了。究其原因，是人工聚變的難度太高。

難在哪裡呢？難在原子核都帶正電荷。要想把兩個原子核合併到一起，就得克服它們之間的電磁斥力。人們可能會問：前面不是說，相互吸引的核力遠比相互排斥的電磁力強大嗎？是的，然而核力有個致命弱點，就是它會隨著距離增大而迅速衰減。在1飛米距離上，質子之間的核力比電磁力強約100倍，但到了1.7飛米，電磁力就開始占上風了。也就是說，兩顆相向而行的原子核，還沒飛到核力的“地盤”，就已經被電磁斥力推開了。

怎麼辦？一方面，要提高溫度，讓原子核運動得快起來。只有跑得足夠快，它們才能突破電磁斥力的藩籬，沖進核力的作用範圍，與其他原子核合體。例如氫彈的聚變階段，就是通過引爆一顆原子彈產生的幾千萬攝氏度高溫啟動的；太陽核心有1500萬攝氏度，勉強能夠點燃非常低效的聚變反應，可供燃燒上百億年。

另一方面，要選擇比較容易發生聚變的原子核，用行話來說，就是找“反應截面較大”、對溫度要求不是那麼高的原子核。目前所知的最佳原料是氫的兩種同位素：氘和氚（質子數都是1，氘核有1個中子，氚核有2個中子）。二者可在5000萬到2億攝氏度大量聚變，生成1個氦核、1個中子與17.6兆電子伏的能量。

當我們提高溫度至上億攝氏度，不但物質會完全氣化，電子與原子核也會“分家”，進入等離子狀態。此時，需要把這團等離子體約束住，讓它達到較高的密度，不然即使溫度上去了，如果原子核互相見不到面，聚變也不會發生。同時，還要有足夠長的能量約束時間，否則熱量耗散太快，聚變仍然無法發生或持續。

在聚變能開發領域，n（密度）、T（溫度）、τ（能量約束時間）是最關鍵的3個參數，三者的乘積決定了聚變反應能否自持進行下去，或者說，能否“盈利”，讓聚變反應的能量輸出超過製造聚變的能量輸入。

談到能量約束，目前已知有3種約束高溫等離子體的方法：重力約束、慣性約束與磁約束。太陽用的就是重力約束，它巨大的重力把聚變燃料死死地封鎖在自己身體裡，中心密度可達黃金的7倍多。慣性約束是用多束強激光同時照射氘氚混合物的靶丸，瞬間產生高溫，而原子因為慣性來不及跑掉，只好就地發生聚變。磁約束則是利用帶電粒子橫穿磁場時會發生偏轉的原理（洛倫茲力），把等離子體約束在一個強磁場編就的“籠子”中。

在這3種方法中，重力約束無法在小小的地球上實現，慣性約束只能一發一發地打靶，難以連續產能，目前更有發展前景的是磁約束。磁約束設備主要包括托卡馬克、仿星器、磁鏡和箍縮裝置等，其中托卡馬克發展得最為成熟，此次引發關注的中國緊湊型聚變能實驗裝置就是一座托卡馬克。

大型全超導為何成優選

托卡馬克（TOKAMAK）被科學家當作人造太陽的實驗裝置之一，承載著人類邁向能源自由的夢想。世界上第一台托卡馬克於20世紀50年代誕生於蘇聯。所以，“托卡馬克”其實是一個俄文縮寫的音譯詞，包含最關鍵的4個要素：環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka），中文也可譯為“環形磁約束聚變裝置”。

從這4個要素便可理解托卡馬克的功能。環形是通過讓有限的物質在有限的空間裡源源不斷地流動，達到約束的目的；真空是為了提供等離子體流動及聚變反應的環境，並避免高溫物質直接接觸室壁；磁是引導等離子體流動的手段；線圈是使用電流產生磁場的設備。綜合起來看，托卡馬克的核心目標是通過電流產生磁場，在環形真空室的腔體中心把一圈流動的高溫等離子體約束起來。

具象化理解就是：一座托卡馬克的核心部分就像是平放在地上的一個游泳圈，高溫等離子體沿著“游泳圈”的腔體中心流動。為了實現穩定約束，等離子體的運動路徑並不是單調畫圓，而是像螺旋手環那樣一邊前進一邊扭轉，不斷地從裡圈繞到外圈，再從外圈繞回裡圈，形成螺旋扭轉的“磁面”。營造這樣的磁場環境需要3組電磁線圈：一是包圍著“游泳圈”截面的若干縱場線圈，它們產生沿腔體方向的環向強磁場，是約束高溫等離子體最主要的磁場分量；二是立在“游泳圈”中央的中心螺管，用於感應產生和維持等離子體電流；三是圍在“游泳圈”外的極向場線圈，用於等離子體平衡控制。

我國建設的托卡馬克——緊湊型聚變能實驗裝置極其龐大，僅杜瓦底座就重400餘噸。之所以要做這麼大，主要有以下幾個原因：一是大設備可以建立更強大的磁場約束，也允許容納更高的等離子體電流，從而提高聚變反應的原子核碰撞幾率和總功率輸出；二是可以更好地抑制不穩定性擾動，顯著延長約束時間；三是可以降低高溫等離子體的表面積-體積比，使能量儘可能留在等離子體內部，延長能量約束時間；