本文授權轉載自：瞭望智庫
ID：（zhczyj）
中國研制的這個可以改變人類未來的 " 人造太陽 "，又讓全世界震驚瞭。
日前，中國科學院等離子研究所宣佈，國傢大科學裝置——世界上第一個全超導托卡馬克（EAST）東方超環再傳捷報：實現瞭穩定的 101.2 秒穩態長脈沖高約束等離子體運行（相當於穩定 " 燃燒 " 瞭上百秒），創造瞭新的世界紀錄。這是我國科學傢集幾十年研究心血，取得的可控核聚變研究的最新成就，更是迄今為止，人類可控核聚變研究最先進的成果。
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拿什麼控制你，一億度的高溫
上世紀三十年代初，核聚變原理就被科學傢們提出，該原理簡單卻引人入勝。想一想，兩個自然界中隨處可見的輕核結合在一起，就可以放出巨大的能量，而且還不產生任何污染物，這簡直是人類理想的終極能源形勢。
隨著科技發展，科學傢們認識到，氫的兩種同位素，氘（d ā o）和氚（chu ā n）之間的聚變反應，是最容易實現的聚變形勢。這種核聚變已經在太陽上存在瞭數十億年，在原子彈研制成功不久，人類也實現瞭氘和氚之間的核聚變，這便是氫彈。
在核裂變反應堆開始源源不斷為人類提供核電時，科學傢們就開始考慮研究核聚變反應堆，並期望在不久的將來實現聚變反應堆發電，一勞永逸地解決人類的能源問題。
但是，可控核聚變發生的條件極為苛刻。要發生可控核聚變，必須將反應堆維持在上億度的高溫，隻有在此條件下，註入的氚和氘的佈朗運動才會變得超級劇烈，或者說是狂暴，此時氘和氚的原子核才會碰撞在一起，發生核聚變，產生一個氦核和一個中子，同時放出巨大的能量。
不幸的是，迄今為止，人類發明的最耐熱的材料，也隻能忍受數萬攝氏度的溫度，在一億度以上的高溫面前，一切材料都隻能俯首稱臣。於是，研究核聚變便歸結為一個簡單的問題：用什麼東西約束住可控核聚變發生時的超高溫物質？
磁場！這是科學傢們異口同聲的答案。利用磁場約束住上億度的等離子體，讓這團等離子體 " 懸浮 " 於磁場之中，這樣，就不需要耐高溫容器瞭。在這團受約束的超高溫等離子體中源源不斷地註入氚和氘，人類就可以實現可控核聚變瞭！
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搞可控核聚變：閉門造車玩不好
從上世紀五十年代開始直到今天，科學傢們在可控核聚變方面的研究的最主要工作，就是尋找一種可靠的，可以約束超高溫等離子體的裝置。
在可控核聚變研究開始之初，世界各國都認為可控核聚變很容易實現，都在絕密的狀態下開始瞭可控核聚變研究，他們都希望自己成為最早掌握這一先進能源技術的國傢。但是，經過多次失敗後，各國科學傢才發現可控核聚變實在是難以實現，不得不進行國際交流。
大約在 1958 年前後，各國可控核聚變研究方面的交流已經變得充分，他們驚訝地發現，遇到的都是類似的問題。這意味著，研究可控核聚變，面臨的不是簡單的技術問題，而是理論問題，這種情況下，隻有世界科學傢聯合起來，才能掌握可控核聚變技術。
也就是從這個時候開始，世界可控核聚變研究變得公開，開始重視國際交流，世界各國進入一種良性競爭的狀態，即各國都開始在可控核聚變方面努力，並不斷公開自己的最新研究成果，一方面讓各國同行少走彎路，另一方面凸顯本國科研實力。
相對其他國傢的可控核聚變研究都是在氫彈研制成功之後，我國可控核聚變研究起步很早，始於 1955 年。這一年，我國著名核物理學傢李正武剛回國不久，在他的建議下，我國開始瞭可控核聚變的研究。
1959 年，我國新建瞭核聚變研究裝置，取名 " 小龍 "，新的裝置屬於脈沖壓縮 / 磁鏡裝置，這個裝置效果較好，一直使用至 1969 年才關閉。
同一時期，與李正武同期回國的科學傢孫湘，在 1962 年初的 " 第一次全國電工會議 " 上報告瞭自己的研究成果，並將研究論文發表在 1965 年的《物理學報》上，這是我國可控核聚變研究最早公開發表的文獻之一。
60 年代初，在著名物理學傢、1956 年回國的王承書的倡導下，我國開始建設 " 仿星器 " 裝置。隻是受不久後的 " 文革 " 影響，該裝置沒有達到試驗目的，以失敗告終。
這一時期，我國的可控核聚變研究的指導思想是 " 小規模多途徑探索 "，這一階段共建造瞭 9 個可控核聚變研究裝置。但是當時由於國內生產技術落後、對外封閉、科技信息交流不暢等客觀因素，這些裝置在沒有 " 約束場 " 繞組的情況下，均沒有獲得可供物理研究的等離子體。不過，這些研究還是給我國培養瞭一批可控核聚變的研究人才，也取得瞭許多研究成果，為我國後續的可控核聚變研究奠定瞭基礎。
上世紀 60 年代末，蘇聯科學傢阿爾齊莫維奇發佈瞭托卡馬克磁約束方案，人類第一次利用磁場約束住瞭超高溫等離子體，讓科學傢們第一次看到可控核聚變的曙光。所謂托卡馬克裝置，英文為 TOKAMAK（由俄語中的 " 環形 "" 真空 "" 磁 "" 線圈 " 四個單詞的縮寫構成），即用水平和垂直的兩個線圈構成真空磁場、約束等離子體的裝置。
托卡馬克磁約束方案自發佈以來，成為瞭世界可控核聚變研究最熱門的方向。迄今為止，世界各國共建造瞭上百座托卡馬克裝置。1970 年末，我國的托卡馬克裝置 HL-1，也就是俗稱的 " 中國環流器一號 " 正式立項，1984 年完成裝置工程聯調，1985 年正式投入物理實驗研究。
1986 年，中國環流器一號的初步實驗結果在日本京都國際原子能機構主持的國際聚變能學術會議上公佈，大會在總結報告中表示瞭對中國同行的祝賀，受到瞭國際聚變界的普遍關註。這也側面證明，這一時期，我國可控核聚變的研究已處於世界領先水平。1992 年中國環流器一號關閉後，改進的中國環流器新一號於 1994 年投入試驗運行，直到 2001 年關閉。接著，中國環流器二號又投入瞭運行。這些裝置的建成和研究，讓我國漸漸成為世界上可控核聚變研究的先進國傢。
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搞 " 人造太陽 "：原先人傢不帶我們玩 現在是我們帶著人傢玩
1985 年，美、蘇、日和歐共體（歐盟前身）開始籌劃建立可控核聚變國際合作項目（ITER），以便這些老牌發達國傢能夠掌握人類未來能源形勢，繼續保持技術優勢。
很遺憾，那個時候由於我國國力有限，沒有加入這個項目的機會。
但強國之間的所謂合作事實證明也是同床異夢。
由於後來蘇聯解體和歐美日內訌，且各自隱瞞自身關鍵技術等，這個計劃一直沒有實質性進展。直到 2003 年，世界再次面臨能源危機，這個項目才再次被人提起。此時的中國，國力相比 1985 年已經空前提高，而且對先進技術的渴望也越來越強烈。因此，我國攜可控核聚變研究的多年成果和經濟實力，成為最先加入這個項目的國傢。
可控核聚變國際合作項目（ITER）的目的，主要是建造一座托卡馬克試驗裝置，讓人類首次實現實驗室中的可控核聚變。
原始的托卡馬克裝置有著其天然的缺點，因為托卡馬克裝置越是接近實用，需要的磁場就越大，而磁場越大，需要的電流也越大，這簡直就是水和面問題的翻版。
但是，由於磁場線圈電阻的存在，使得電流增加到一定程度時，線圈的損耗會急劇增加，甚至會燒壞線圈。這個缺點差點判瞭托卡馬克裝置死刑，直到超導技術的出現，才解決這一問題。
國外使用超導線圈的托卡馬克裝置一共有三臺，分別來自法國、俄羅斯和日本。但是這三臺裝置都隻有水平線圈是超導的，而垂直線圈依然是常規線圈。這其中固然有成本的問題，但技術問題還是主要原因。
而世界上第一臺全超導托卡馬克裝置是由我國科學傢獨立設計和建造的東方超環（EAST），俗稱 " 人造太陽 "，它是世界上最早的水平和垂直線圈均為超導線圈的托卡馬克裝置。不僅如此，東方超環還第一次采用瞭非圓形垂直截面，在不增加環形直徑的前提下增加瞭反應體的體積；第一次采用瞭液氦無損耗的超導體系，實現瞭液氦這種昂貴冷卻劑的高效利用；同時還是世界上第一個擁有主動冷卻結構的托卡馬克裝置。
東方超環在 2007 年建成啟動後，一舉成為可控核聚變國際合作項目（ITER）最重要和最先進的試驗裝置，此後，各國科學傢紛紛來我國開始科學試驗。這也使得我國成為可控核聚變國際合作項目（ITER）的領導者。
東方超環是集我國五十多年可控核聚變研究之大成的裝置，該裝置自建成以來，就不斷開創人類可控核聚變研究的新高度。
2012 年，東方超環獲得瞭超過 400 秒的 2000 萬攝氏度高參數偏濾器等離子體，獲得瞭穩定重復超過 30 秒的高約束等離子體放電，這改寫瞭國際上最長時間的高溫偏濾器等離子體放電和最長時間的高約束等離子體放電的紀錄，標志著我國可控核聚變已經代表瞭國際可控核聚變研究的最高成就。
而本次 " 東方超環 " 在全球首次實現瞭 5000 萬攝氏度等離子體持續 101.2 秒的長時間放電，再次創造瞭人類可控核聚變研究的新高度。
東方超環（圖片來源於網絡）
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廉價、高效、清潔的能源驅動
可控核聚變國際合作項目（ITER）的目標是在歐盟建造一座可持續運行的托卡馬克裝置，這一裝置目前正處於建造過程中。值得一提的是，這個裝置雖然比東方超環規模要大，但是不論是其超導線圈技術，還是其非圓形垂直截面，都是參照的東方超環的技術。甚至可以說，東方超環是比該裝置早誕生十年的原型裝置。
國際可控核聚變裝置的非圓形垂直截面（圖片來源於網絡）
該可控核聚變裝置的運行也並不復雜。
超高溫等離子體被約束在磁場中，維持可控核聚變發生的超高溫條件，接著，少量的氘和氚被作為點火燃料註入至反應體中，發生核聚變反應。核聚變反應生成氦核和中子，並放出聚變能。聚變能大部分被反應堆周圍的導熱裝置吸收並進入能量轉換和傳輸裝置，轉變為電能，少量的聚變能將繼續在反應體中，維持核聚變反應的超高溫狀態。
此後，隻需要持續的向反應體中供應氘，可控核聚變便可以一直持續下去，並源源不斷地產生完全清潔的、高效的聚變能。
可控核聚變所需要的燃料氘大量存在於自然界的普通水中（所謂重水即是氘水，重水提取自普通水中），生成燃料氚的鋰在自然界中也分佈廣泛。核聚變反應不會產生有害放射性物質，不會造成環境污染，是人類最理想的能源形勢。
未來，可控核聚變終將成為現實，到那時，我們將擁有取之不盡，用之不竭的清潔能源，我們將再也不必擔心化石能源枯竭問題，再也不用擔心溫室氣體導致大氣變暖問題，也不用擔心目前核電的放射性問題。在可控聚變能的基礎上，人類將徹底自己的生產和生活方式，我們的生活將被廉價、高效、清潔的能源驅動，快速前進。同時，聚變能將給人類太空探索提供強大的驅動引擎，讓星際遨遊再也不受動力的困擾，到那個時候，走出地球、殖民太空將不再是科幻小說的情節。
從火把到蒸汽機，再到電氣，人類歷史上每一次能源革命，都導致瞭人類文明的革命。未來，誰能率先掌握可控核聚變技術，誰就將引領人類文明的革命。
幾十年如一日，我國可控核聚變研究從未落後、從未停滯、不斷超越，已經走到瞭國際可控核聚變研究的最前沿。未來人類必將完全掌控可控核聚變，而從目前各國可控核聚變研究的進展來看，最先掌握可控核聚變技術的國傢必然是中國。
酷玩實驗室經授權轉載
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