四代科研工作者、12萬多次實驗、10余次創造世界紀錄……中國有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）屢獲重大突破，今年4月12日成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒的新世界紀錄。
此前的高約束模式運行世界紀錄，是EAST于2017年創造的101.2秒。我國自行設計研制的EAST由此成為世界上第一個實現穩態高約束達到百秒量級的托卡馬克裝置。
EAST于 2007 年正式投入運行。它具有非圓截面、全超導及主動冷卻內部結構三大特點，可為國際熱核聚變實驗堆（ITER）和未來中國聚變工程試驗堆的建設和穩態運行提供直接經驗。
EAST為何被稱為“人造太陽”？ 實現聚變發電還要等多久？
何以聚變？
2021年4月13日，工作人員在中科院合肥物質科學研究院對全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）進行升級改造。
恒星能量主要來自氫核聚變。當人們認識到，宇宙間的能量，無非就是粒子的分分合合，石油充其量只能算個四級經銷商，那么不如直接從粒子那里搞批發，自己擰原子核，于是就出現了“可控核聚變”的概念。
核聚變的主角是氫元素，氫元素按中子數量分三種：氕、氘、氚。氕（H）不帶中子，習慣叫“氫”，氘（D）帶一個中子，氚（T）帶兩個中子，都比氕重，反應截面大，更容易擰。這好比擰太輕的東西容易手滑，稍微重些有利于使勁。所以，聚變最喜歡擰氘。
那么，氘、氚從哪里來？普通水中就有重水（氘），只是比例很低，首先利用氕氘重量的差異，采用多級蒸餾，初步得到較高濃度的重水。然后電解，輕水比重水更容易電解，電解完之，剩下的就是比較純的重水了。氚比較麻煩，半衰期只有12.43年，地球上幾乎不存在天然氚，只能人工合成，通常利用反應堆的中子轟擊鋰-6化合物獲得，相當貴。
聚變并不是氘、氚的專利，理論上說，所有鐵以下的原子聚變都會釋放能量，排名第二的氦元素就成了次佳選擇，氘和氦-3、氦-3和氦-3的聚變也是當前的研究熱點。理論夠不著的地方還有潛力可挖，比如太陽的主要聚變燃料就是氕原子。氕核只有質子沒有中子，聚變條件非常苛刻，現有聚變理論從沒考慮過氕氕聚變。但太陽已經告訴我們，4個氕核可以聚變成1個氦核，釋放的能量相當驚人。
那么，可控核聚變什么時候能實現？
原子核帶正電，兩個原子核越靠近排斥力越大，通常做法是讓它們高速相撞，只要速度足夠快，就可以抵消這個排斥，擰成一個核。
溫度的本質是粒子的運動速度，100攝氏度的空氣和10攝氏度的空氣，只是分子速度不同而已。為了讓原子核擁有足夠的速度相撞，就需要足夠的溫度，所以擰原子核都很燙。
單位體積內的原子核越多，相撞的概率就越大，實在密度不足的，就多維持一段時間。
溫度、密度以及維持的時間，三者必須滿足特定的條件，這叫勞遜判據。滿足勞遜判據，聚變產生的能量就能維持聚變自身消耗的能量，聚變才會持續下去，俗稱“聚變點火”。溫度、密度、持續時間三者乘積達到10的22次方，就可以滿足聚變點火的條件。為了達到這個條件，不能過分追求單項性能，而是要在三者之間找到一個最佳的平衡點，比如氘氚聚變的理想溫度是在1億-2億攝氏度之間。
重重難關
那么問題又來了，用什么東西可以把1億攝氏度的氘氚放在一起？
有三個辦法。第一，引力約束，就是太陽燃燒的原理，單純靠萬有引力硬生生把氫原子擰成氦原子。不過，即便你把整個地球拆了做成聚變裝置，引力也無法滿足勞遜判據。
于是，我們還剩兩條路：慣性約束與磁約束。
慣性約束，是用N束激光從四面八方圍著一個芝麻大小的氘氚球打，瞬間將原子核擠成高溫高壓，達到聚變條件，俗稱“激光打靶”。打完之后，換上另一粒芝麻，繼續打。
可問題是，這樣一陣一陣，怎么做到持續穩定發電呢？美國國家點火裝置（NIF），可在一瞬間將上兆焦耳的能量通過192束激光打在一粒芝麻上，自2010年正式點火后一路連刷紀錄。此外，法國兆焦耳（LMJ）、中國“神光”系列、日本GEKKOXII也都不是等閑之輩。
但總的來說，激光打靶用于聚變發電的技術路線還是有些難辦，我們趕緊來說說第三個辦法：磁約束，用磁場把原子核擰到一起。到了一億攝氏度，原子核和電子早被打散，成了“等離子體”。沒了電子的氫核帶正電，正好可以被磁場約束。
用磁場把1億攝氏度的氘氚放一起就完了？后面的事可多著呢。
*等離子體穩態運行
等離子體形態跟氣體似的，除了傳統的流體力學，還有非常復雜的電磁相互作用。而聚變等離子體是流體力學、電磁作用、極端條件的疊加，其行為難以預測，本來反應很順利，一點點擾動就瞬間“翻臉”，明明什么條件都滿足了，但它就是不聚變。好不容易把反應模型算好了，比如你發現磁場分布像麻花一樣反應效率最高，在計算機上模擬順暢無比，最后還得建個實物才能驗證到底行不行，這裝置要用到大量超導材料。
*第一壁材料
聚變反應產生的中子能量高達14MeV，而原子之間的化學鍵能量只有10eV級別，兩者整整差了一兆倍。直接面對聚變反應的內壁材料（有個形象的名字：第一壁材料），已超出了耐高溫的概念，簡直就是給太陽加外套，時間一長，任何原子都會被打飛。
可控聚變的難點還有一大把：氚不斷減少，得想辦法補充；氦不斷增加，得想辦法排出；制造磁場的超導材料至少要在零下200攝氏度的液氮環境工作，甚至是更冷的液氦，而里面的核心區溫度卻超過1億攝氏度，中間只隔了幾步路。
刷新Q值
無論聚變有多難，事關人類未來，大家仍然陸續展開了轟轟烈烈的聚變行動。
若定個衡量指標，把“輸出能量/輸入能量”的比值叫作“Q值”，Q大于1意味著“輸出大于輸入”。算上成本，燒鍋爐的汽輪機熱電效率在40%-70%，再算一些損耗，暫且認為Q=2.5是成本。商業應用一般認為要Q>30才行。劃分一下幾個關鍵點：
Q＞0，實現聚變反應，原理性突破標志；
Q＞1，輸出能量大于輸入能量，“盈虧平衡”突破標志；
Q＞2.5，輸出能量轉化為電能后仍大于輸入能量，“實用化”突破標志；
Q＞30，輸出能量轉化為電能后可實現盈利，“商業化”突破標志。
聚變這攤子事實在太多，為了避免迷路，先看一眼地圖，按圖索驥，從最經典、最被看好的“托卡馬克”說起。
托卡馬克的磁約束特征是，縱向場線圈和極向場線圈分明，縱向磁場完全由外部的線圈提供，極向磁場由線圈和等離子體電流產生，兩個磁場共同約束等離子體。等離子體有電阻，可以利用歐姆效應加熱，也就是用感應電流給等離子體通電，而且通電后的等離子體相當于一個線圈，還會產生磁場。不過溫度升高后歐姆加熱效率降低，后期還要輔助加熱手段，比如射頻波共振加熱、中性束注入加熱等。
利用線圈和等離子體電流產生磁場，利用磁場約束氘氚，利用感應電流和其他手段狠狠加熱，這就是托卡馬克的原理。
蘇聯從1958年開始不斷嘗試，幾經升級終于在1968年有了能量輸出，人類第一次刷到了Q值，雖然只有十億分之一，但至少證明路子是可行的。一時間各國紛紛跟進，進入20世紀80年代技術路線趨于成熟，于是建造了一堆大型托卡馬克，準備上真正的氘氚反應。
1991年，歐洲聯合環（JET）實現了史上第一次氘氚反應，持續了2秒，Q值0.12。1993年，美國的托卡馬克聚變測試反應堆（TFTR）把Q值刷到了0.28。1997年，歐洲聯合環又刷出了0.67的歷史新高度。隨后，日本的JT-60成功進行了氘氘反應，換算回氘氚反應的Q值相當于1.25（但因為是換算值，Q值基本不算數）。
當別人還在用銅線的時候，蘇聯的T-7托卡馬克裝置就用上了超導；T-7上馬沒幾年，又開始建造更大的T-15。蘇聯解體后，大量人才流失，項目停滯。T-15雖沒有亮眼的運行紀錄，但憑借傲人的設計，依然和歐洲聯合環、美國TFTR、日本JT-60一起位列前四。
除此之外，還有不少水平不錯的聚變裝置。法國的Tore-supra是世界上第一個真正實現高參數準穩態運行的裝置，放電時間長達120秒。這里的“放電”不是發電的意思，是指把氘電離成等離子體，只是聚變反應的第一步，但依然非常了不起。要知道，其他裝置雖然刷到了Q值，但持續時間都只有幾秒鐘。還有德國的ASDEX-U、TEXTOR也實力不俗，刷出不少紀錄。
很多工業強國都涉足聚變領域，全球前前后后累計造了幾十個聚變堆，卻發現可控核聚變在五十年內都榨不出“油水”，于是一批托卡馬克陸續關閉，Q值紀錄就停留在1997年的0.67。
EAST
可畢竟事關人類未來大計，美蘇日以及歐洲各國一磋商，不如“組團”吧——國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）由此誕生。后來，中國、韓國和印度也加入其中。2006年，ITER計劃進入全面實施的準備階段。
作為僅次于國際空間站的全球第二大科研合作項目，ITER目標定得相當高：Q值超過10，輸出能量功率500兆瓦，與當前核電站的功率相當。但是，進度幾年幾年往后延，眼看著就陷入了僵局。關鍵時刻中國出手了，這就是中國核聚變的故事。
20世紀70年代，我們上了第一臺托卡馬克CT-6，接著又上了環流器一號（HL-1），還有HT-6、HT-6B、HL1M、環流器二號（HL-2）。后來，蘇聯的T-7輾轉到中國后又做了不少升級，改名HT-7（合肥超環）。2006年，世界第一臺全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）橫空出世（別人都是部分線圈超導）。
此后，EAST開始全面刷紀錄，而且行事頗有章法，并不直接追求Q值，官方定義是：研究等離子體穩態約束的可行性。也就是說，先讓等離子體長時間保持1億℃以上，不著急進行聚變反應。
在穩態運行方面，EAST屢屢創下世界紀錄，1.2億℃維持101秒，1.6億℃維持20秒，7000萬℃維持1056秒。2020年12月，規模更大、參數更高的中國環流器二號M裝置（HL-2M）在成都建成并實現首次放電。
在托卡馬克硬件建設方面，中國很快就展示出了工業大國的實力。ITER打算2025年實現點火，很大一部分原因是中國承擔了大量核心關鍵部件的制造及安裝任務，包括校正場線圈、環向場線圈導體、極向場線圈導體、磁體饋線系統、包層第一壁、包層屏蔽模塊、診斷系統等等。
當然，光靠我們一家是不夠的，ITER有100多萬個部件，總重2.3萬噸（我們的EAST才400噸），全球35個主要工業國都有自己的任務。
比如，資金并不充裕的歐洲聯合環，于2021年12月再次進行了一輪昂貴的氘氚（D-T）反應，1.5億攝氏度的氘和氚保持了5秒鐘，聚變反應釋放了59兆焦耳的能量，刷新了輸出能量的世界紀錄，為即將投入試運行的ITER進行鋪路實驗。
聚變發電還要等多久？
磁約束的第二種類型是仿星器。
無論EAST怎么刷紀錄，依然無法改變托卡馬克的缺點：太復雜。依靠外部線圈和等離子體電流產生的耦合磁場，一起約束等離子體。這樣的設計非常微妙，一旦出現擾動瞬間就會放大，導致系統崩潰。其實一開始大家就覺得托卡馬克很棘手，所以蘇聯想出托卡馬克時，仿星器的設計也差不多同時間提出來。
仿星器的思路是：所有的磁場都由外部線圈提供而不用等離子體電流，所以只要保持線圈穩定，磁場就能穩定，這樣就提高了系統的穩定性。
想法很好，可是由于聚變等離子體特性，使得磁場分布也很奇特，進而導致線圈也設計得很奇特。
早期計算機的模擬能力差，線圈加工難度也很大，線圈最終產生什么樣的磁場全靠緣分，所以仿星器一開始就不熱門。歐洲各國、美國、日本都做過仿星器，后來蘇聯把托卡馬克做出Q值后，仿星器“失寵”就更嚴重了，美國甚至還把仿星器直接改成了托卡馬克。
隨著托卡馬克陷入瓶頸，超級計算機的性能發展，仿星器又重出江湖。于是，當年的仿星器制造高手德國再度出手，世界上最大的仿星器文德爾施泰因（Wendelstein）7-X于2015年實現點火。
磁約束還有第三條路：反場箍縮。大致原理是縱向磁場由外部線圈產生，極向磁場則完全由等離子體電流產生。不過，目前來看這路子也不好走，美國做了快20年反場箍縮，約束時間還停留在毫秒級（托卡馬克已經幾百秒了），中國的“科大一環”、意大利的RFX、日本的TPE-RX、瑞典的EXTRAP-T2R也全都在萌芽狀態。
蘇聯物理學家列夫·阿爾齊莫維奇（Lev Artsimovich）說過一句至理名言：“當整個社會都需要的時候，聚變就會實現。”可控核聚變雖然困難重重，但不可否認，當前的能源還可以支撐人類社會發展很多年，聚變確實不算是現在最緊迫的事情。
ITER計劃準備于2025年實現點火，2035年開始氘氚反應實驗，即便一切順利，ITER也只是一個實驗聚變堆，無法發電。想要發電還得重新建一個商業聚變堆，時間就不好說了。
好在，2017年，中國聚變工程實驗堆項目（CFETR）正式啟動，計劃2035年建成聚變工程實驗堆，2050年建成聚變商業示范堆，實現聚變發電。
人類技術進入原子核層面后，想象空間確實大了很多，在很多問題上不再像只有化學反應時那么絕望，尤其是航天領域，走出太陽系這么大的事居然也可以憧憬了。
