如果核聚变是孙悟空 那中国研发出来的就是金箍

2023年8月的一天，一则新闻刷爆了各大板块：中国人造太阳“环流三号”首次实现100万安倍等离子体电流下高约束模式运行，是我国可控核聚变事业的一座重要丰碑。

“环流三号”应用的是一种磁约束聚变，指的是先加热燃料，使它成为等离子体形态，再利用磁场，拘束住高热等离子体中的带电粒子，使它进行螺线运动，进一步加热等离子体，直到产生核聚变反应。

说白了，实现100万安倍等离子体电流下高约束模式运行，就像是为孙悟空研制出了一个金箍，通过念紧箍咒的方式来让孙悟空行善事而不是任性而为。

环流三号

世界范围内，实现磁聚变约束的方法有很多。比如环磁机，又称托卡马克。它的工作原理由变压器引起的电场驱动电流（红色大箭头）通过等离子体柱，产生一个极向磁场，将等离子体电流弯曲成一个圆形（绿色垂直圆圈）。

将等离子体柱弯曲成一个圆圈可以防止泄漏，并且在一个环形容器内这样做会形成一个真空。另一个围绕圆圈长度的磁场被称为环形磁场（绿色水平圆圈）。

这两个场结合形成一个类似螺旋结构（黑色所示）的三维曲线，等离子体在其中受到高度约束。说白了就是驴拉磨一样，驴永远都只会围绕着磨盘转圈，再通过磨盘的转动产出。

托卡马克工作原理

上文中提到的等离子体，指的是气体在极高温下的状态。在等离子体中，电子被从原子中剥离出来。失去围绕原子核运行电子的原子被认为处于电离状态，并被称为离子。

因此，等离子体是由离子和自由电子组成的。等离子体有接近完美的导电率，也会在磁场的作用下，显现出各种三维结构，例如丝状物、圆柱状物和双层等，也可以利用磁场来捕捉、移动及加速各种等离子体。

孙悟空也是如此，在太上老君炼丹炉里烧成了火眼金睛，出来以后能一眼看破白骨精。

通常来讲，核聚变中常用的单位是兆瓦，也就是MW，比如1991年的时候，欧洲联合环形聚变反应堆首次进行了受控聚变，产生了大约1.7MW的电力。虽然持续时间仅为2秒，然而这却是人类清洁能源史上最重要的部分之一。

不过在新闻原文中只看到了电流的单位（安倍），而兆瓦是电流与电压的乘积。这也就意味着，“环流三号”目前所实现的主要是一种控制方法，在输入电压后才能被转换成发电量，也就是反应堆点火，这也是为什么将其比喻成孙悟空的金箍。

举一个不太恰当的例子，哪怕是为“环流三号”连上一个常见的5号电池，其发电功率则能达到1.2MW。变相说明100万安倍等离子体高约束的含金量。

在取经路上的研发

2006年11月，中国、欧盟等七方签署启动国际热核聚变实验堆计划协定。该计划由ITER（国际热核聚变实验堆）所推动，集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学技术成果，解决大量技术难题。到了2007年，法国开始建造一个500MW的托卡马克。

在机器里，等离子体将会被加热到1.5亿摄氏度，比太阳核心的温度还要高10倍，以进行核聚变反应。与之相对的，机器内的超导磁体温度则低于零下269摄氏度。这台托卡马克总共需要约1000万个零件，从世界各地汇聚到ITER的工地上。

1.5亿摄氏度是什么概念？根据后人对《西游记》的解读，红孩儿的三昧真火，也就四、五千摄氏度，反应堆的温度相当于把三十万个红孩儿绑在了一起。

根据ITER的最新报告，这台机器已经完成了50%的组装，将于2025年12月进行第一阶段运行。一旦这台机器完美运行，那么世界范围内所有的化石燃料都将被清洁能源替代。

可就像《西游记》中描述的一样，孙悟空神通广大法力无边，想仅靠一个小小的金箍就将其束缚，那也是痴人说梦。以最基础的点火为例，如果不能将反应堆温度加热至1亿摄氏度以上，那么反应堆将不会发生任何反应。

目前主要的加热手段是欧姆加热，用高频放电电离中性氢形成冷的等离子体被沿着环形线圈产生的一个大的极向磁场的 电流加热。虽然上文提到，等离子体有着接近完美的导电率，但也有一定的电阻，电流经过的时候依然会产生热量。

可是等离子体的电阻率是随着电子温度的升高而急剧下降的，由此引起欧姆加热的功率密度也急剧下降，这就限制 了欧姆加热的利用。

另一种方法是高能中性粒子束注入加热法，是托卡马克主要采用的一种加热方法。等离子体加热所用的中性粒子束一般是用高能中性氖原子束，高能中性粒子不受聚变装置中磁场的影响 ， 可直接注入到等离子体中心区一旦中性原子进入等离子体，立即通过 电荷交换和碰撞过程 ，电离成离子这些高能离子被磁场捕获 ，再经过与原有等离子体 的库仑碰撞 ，把能量交给等离子体 ，从而达到加热的目的。

但是，离子源中的高能离子束在中性化气体室 中捕获 电子变成 中性粒子束的效率随着粒子能量的增加而急剧下降 ，如果从离子源中引出负离子束，那么由负离子转换成中性粒子的效率随能量的增加并没有明显的下降，这是因为从负离子中分离出多余的电子要容易得多，因此需要大功率的负离子源。

此外，对中性束加热效率的一个重要限制是碳和氧杂质的存在由于线圈壁吸留气体而产生的碳和氧困，其浓度可到 1%，中性束和这些杂质之间的电荷交换产生高激发的碳离子和氧离子，由于它们的线辐射而损失能量，从而导致加热的效率骤减。

中国核聚变事业发展规划图

正如取经要经历八十一难一样，别看可控聚变大路上困难重重，我国核事业从1980年至今早已取得了多个领域的重要研究成果。由于托卡马克的上述优点，中国聚变研究界几十年来一直关注托卡马克等离子体。1980年至90年代中期，先后研制了HT-6B、HT-6M、HL- 、HL-1M等中小型托卡马克装置。

我国于1994年和2002年，基于从俄国(T-7托卡马克)和德国(ASDEX托卡马克)提供的设备，分别在亚洲科学物理研究所和SWIP建造了HT-7和HL-2A，让中国一跃成为了第四个有能力开发超导托卡马克的国家。

也正是因此，中国建造出了全球首个托卡马克-EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，简称EAST）。

EAST是是世界上第一个具有上下偏滤器的全超导托卡马克，旨在长脉冲、稳态、高约束模式运行，并已实现101秒高约束模式放电。EAST正在成为世界上重点托卡马克装置之一，它可以为未来的设备（包括ITER、CFETR）提供高性能、长脉冲运行场景。

EAST

就中国的磁约束聚变事业而言，EAST只是第一步。接下来，我国要实现实现长脉冲高约束模式和稳态运行现代加热和电流驱动与诊断；通过HL-2M，研究高辅助加热功率下的高性能等离子体物理。

下一步则是开发ITER和CFETR（中国聚变工程试验堆）相关的关键技术。“并非所有流浪者都迷失了道路。”唐僧师徒四人有着明确的指导方针，最终才能抵达雷音寺取得真经。

CFETR 的建设预计将于2030年代完成。CFETR 运营计划分两个阶段进行。第一阶段的目标是实现100-200MW 的聚变功率。这一阶段将探索稳态运行和氚自给自足，作为ITER Q=10运行的补充。Q=10是ITER的目标之一，其含义为等离子体中产生十倍的功率回报。

第二期计划于2040年代完成。而聚变功率为1 GW的托卡马克CFETR也将在那时进行演示。原型聚变电站（PFPP）计划于2060年左右建成，这是中国磁约束聚变建立商业聚变电站路线图的最后一步。从今天看来，2060年还有不到40年，依然要漫长的等待。可是对于可控聚变领域来说，中国的磁约束聚变事业正在飞速发展。

亚洲核电事业发展总部

站在核裂变发电的视角，目前中国核电行业的主要企业共有9242家，2021年注册企业数量为2327家，2022年已注册1675家核电企业。也在侧向佐证近两年内我国核电事业发展非常迅猛。

需要注意的是，我国核电发电只占发电总量的5%，而其他发达国家如俄罗斯、英国，他们的核电发电量分别占发电总量的19.6%和14.2%。诚然，在可控聚变领域，我国的的确确取得了多项重大的突破，可若想实现真正低碳、低排放的清洁能源社会，核电的并网商业化也是不能忽视的一环。

使用聚变发电厂可以大幅度减少世界电力需求增加对环境的影响，因为与核裂变发电一样，它们不会导致酸雨或温室效应。鉴于燃料的现成性，聚变发电可以轻松满足与经济持续增长相关的能源需求。

不会有聚变反应失控的危险，毕竟一旦反应失控就相当于无事发生。虽然聚变不会产生长寿命的放射性产物，并且未燃烧的气体可以就地处理，不过由于结构材料的活化，还是会存在中短期的放射性废物问题。

由于高能中子的轰击，一些组成材料在反应堆的使用寿命期间会变得具有放射性，并最终成为放射性废物。显然，这也是核聚变发电商业化需要考虑的重要一环。

PFPP将会是中国核聚变商业化的第一步，“环流三号”之后还会有“环流四号”、“环流五号”。每一台设备都将会带来一些突破，最终全面实现我国核聚变清洁能源替代传统不可再生碳能源的局面。