中国“人造太阳”突破千秒，人类离核聚变发电还有多远？
2025-01-22 13:20·迷彩虎说
中国也许在不远的将来就要迎来真正意义上的第三次工业革命了。2025年1月21日，央视新闻报道了安徽合肥的“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置，成功实现了1亿摄氏度燃烧1066秒的惊人纪录。
可能有人不知道可控核聚变对人类来说将意味着什么，简单形容的话，我们可以将这项技术看作是第三次工业革命的标志，以及人类文明进入下一阶段的标志。
“人造太阳”的全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，它的原理是模拟太阳内部的核聚变反应，通过极高的温度和压力，使氢的同位素氘和氚发生聚变，释放出巨大的能量。这种能源具有清洁、安全、几乎无限的特点，一旦实现可控核聚变，将为人类提供取之不尽、用之不竭的清洁能源，从根本上解决全球能源危机——至少在人类步入太空时代之前是这样的。
虽然此前美国一直自称自己已经完成了第三次甚至第四次工业革命，还搞了创新性的AI革命，金融革命，但这些都不是最根本意义上的工业革命。工业革命，是建立在人类对能源运用的基础之上的。就好比第一次工业革命是蒸汽机，第二次工业革命是内燃机。
按照这个逻辑走，只有可控核聚变技术有资格被称为第三次工业革命的代表。核裂变其实也有机会，但因为这个东西并非清洁能源，而且只能在大型电站使用，所以还不能算是彻底的革新。
然而，可控核聚变技术的研发难度超乎想象，长期以来被称为“永远的五十年”，即似乎永远距离完成还有五十年的时间。这是因为实现可控核聚变需要克服诸多技术难题，包括维持高温等离子体的稳定、控制核聚变反应的速率等。尽管困难重重，中国科学家们却凭借着坚韧不拔的毅力和卓越的智慧，在这一领域取得了举世瞩目的成就。
此前欧美多次质疑中方在核聚变的进步，当中国的可控核聚变能运行100秒时，他们毫无根据地质疑中国抄袭西方技术；当运行时间提升到403秒时，又声称没有西方科学家的帮助，中国不可能取得进一步突破。然而，当中国“人造太阳”成功燃烧1000秒时，这些无端的指责戛然而止，他们就再也说不出话了，因为中国的技术已经超出了他们的理解范畴。
美国能源科学办公室主管阿兰曾对CNN警告称，中国在核聚变领域的投入巨大，每年接近15亿美元，是美国投入的两倍。这一巨额投入体现了中国对探索清洁能源的坚定决心。
与此同时，《日经新闻》报道称，日本科学家也在抱怨，自2015年起，中国核聚变的专利申请量大幅增加。这一系列现象表明，中国在核聚变领域的快速崛起已经引起了国际社会的广泛关注。只不过不管是呼吁还是抱怨都没有用，科学是要脚踏实地走出来的。中国在“人造太阳”领域的成功并非偶然，而是长期坚持自主创新、大力投入科研的结果。
就在这次实验成功之后，我国科学家们公开表示下一代“人造太阳”——中国聚变工程实验堆已完成工程设计。根据中国磁约束核聚变路线图，未来中国将瞄准建设世界首个聚变示范电站。这一宏伟目标的设定，展示了中国在核聚变领域的雄心壮志和长远规划。一旦世界首个聚变示范电站建成，将标志着人类在可控核聚变能源的实际应用方面迈出关键一步，为全球能源转型树立榜样。
在我们的有生之年，很有可能看到一个有着无限能源可以使用的人类文明。
1亿摄氏度突破1066秒，意味着什么？
超过1亿摄氏度能够稳定运行1066秒，这件事情本身到底意味着什么，我们离真正的核聚变发电还有多远？
同时，很多国家都在进行类似的研究，那么目前在全世界范围来看，我国EAST装置处于一个怎样的水平？
这是一个非常重要的里程碑，从此将从前沿的基础研究转向工程实践，向聚变能应用迈进了一大步。“亿度千秒”的难点在于，我们要把这一团火，相当于太阳表面温度的6到7倍，像火球一样的等离子体运速到上千秒，难度是非常难，这应该是目前五十多年的研究中，从物理研究向工程实践迈出的坚实的一步。
EAST装置就是所说的中国人造小太阳，是我国建成的世界上第一个全超导托卡马克装置，这里有很多的核心技术，也存在很多的技术挑战，有超高真空、超大电流、超强磁场等很多这样的技术攻关。通过这次实验，这几年来，一直从100秒到400秒再到1000秒，这完全是由中国的磁约束核聚变团队来保持这样的世界纪录。在国际上排在第二方阵的，目前是在70秒到100秒，所以这一次能够实现1000秒，标志着我国在高温等离子体、高约束模等离子体、磁约束研究方面走到了世界前列。
实现“亿度千秒”，接下来的目标是什么？
走到世界的前列真的很不容易，100秒、400秒、1000秒，2023年时实现的是403秒，用了一年多的时间实现了千秒，那么我们的下一个目标是什么？
能持续的时间是非常重要的，但磁约束聚变研究就像马拉松赛跑一样，不仅要跑得快，还要跑得远。所以，接下来不仅在持续时间上，还要在等离子体密度、等离子体温度等各个方面瞄准未来聚变能的商业应用，做进一步的攻关研究。
人造太阳建设和研究中，有哪些艰难时刻？
EAST建设研究进行十几年的时间了，过去这十几年中，研究团队遇到的艰难时刻是哪些，又是怎么过来的？
这十几年来，每天的聚变研究如履薄冰，每天会遇到各种各样的工程和物理问题。聚变研究是一个系统庞大的工程，难度就是平时所说的“难于上青天”，在做的过程中，经历了很多困难。
比如，在十八年前要建超导托卡马克的装置，必须有超导材料，当时西方国家说可以给中国提供超导材料，但是一夜之间又说不给了。
后来，只能靠自主创新，团队和企业界一起来合作、创新，把超导材料进行技术攻关，现在中国的超导材料、超导技术应该位居世界前列，而且人造太阳上所有的超导材料应用都实现了国产化。同时，还给医疗、工业界提供了很多材料，目前世界上60%～70%的比例会来购买中国的超导材料。
在做人造太阳过程中，有很多这样的故事，只能靠技术攻关，每天遇到问题、解决问题，不仅有工程问题，还有物理问题，所以研究团队已经进行了十五万次的实验，在十五万次实验中不断探索和摸索。
中国距离第一座“聚变商业电站”还有多远？
现在有一些媒体报道说，全世界范围来看，预估2035年会有第一座用聚变来发电的电厂正式运营，就我们国家来说，距离第一座核聚变的电厂还有多远，目前还需要做一些什么样的突破？
随着国家科技创新不断投入，不断增强，中国有第一座“聚变商业电站”的梦想应该在10到20年突破。接下来，要用3到5年的时间建成氘氚燃烧的聚变装置，就是全超导的装置的输出要大于输入。
现在的人造太阳，包括国内的物理实验装置基本还构成不了输出大于输入的。接下来，比如正在建设全超导的紧凑型聚变装置，输出大于输入5倍，到2035年希望建成中国的聚变释放堆，输出大于输入20倍，这样就开启了人类的国家聚变能源的商业应用。
核聚变能源或许能帮助人类实现星际航行
可能会有很多人有这样的疑问，现在获取电能的方式有很多种，为什么要投入这么大的精力研究核聚变发电这样一个项目？最终是要解决什么问题？未来通过聚变的方式获取的能源或者能量，还可以用在哪些地方？
核聚变能源是一种清洁高效的能源，现在人类大部分使用的都是化石燃料，对于环境和人类的影响非常大。如果实现聚变能，对人类的环境是非常友好的。
人类第一次工业革命之前只有马车，马车只能把人类从一个村庄带到另一个村庄；工业革命之后，有了火车、飞机，可以把人类从一个国家带往另外的国家。如果核聚变能源一旦实现，就能够把人类从这个星球带往另外一个星球，那么人类的星际航行就能够实现。
当我国第一座“聚变商业电站”诞生后 我国的能源供给是怎样的图景？
畅想一下，未来如果我们真的拥有一座聚变的发电厂之后，我们国家能源的结构会发生一个怎样的变化，能源供给的结构又是一幅怎样的新图景？
一旦实现核聚变能源商业应用，一定会带来人类文明的改变和生存方式的改变，会给生活方式带来翻天覆地的变化。因为现在人类基本上使用的化石燃料，环境会遭受污染，而且化石燃料是有限的。一旦实现核聚变能源应用，人类有了用之不竭的磁约束核聚变供电，再加上其他绿色能源，能够进行互补，可以让人类环境更加美好。
“人造太阳”也叫“托卡马克”装置，其实是一种由人类控制的、模拟太阳在发光发热过程中发生的一系列反应而制造出来的核聚变研究装置。
两个原子核相撞，发生聚合反应时能释放出巨大的能量，而这个能量正如太阳释放出的能量一样，原料不受限制、产物不污染环境、不产生高放射性核废料，可以为人类的生存提供必需的光源与热量。也正是因此，它才得了个小名“人造太阳”。
其实整个人类对“人造太阳”——核聚变能源的研究早在20世纪50年代就开始了。那时美国成功试爆了世界上第一颗氢弹，从而发现了氢弹爆炸带来的能量资源，但是这样的爆炸是不受人类所控制的。做武器那是无敌的，可用来发电那多少有点异想天开了。
虽然不能成为有效能源的来源，但首颗氢弹的爆炸却开启了人类研究可控核聚变能源的研究之路。
从少数大国秘密研究到世界各国合作参与——ITER计划
中国的“人造太阳”之路同样始于上世纪50年代，至今已经将近70年。1956年，中国在钱三强等科学家的倡导下开始“可控的热核反应”研究，1965年，中国专门研究核聚变能源开发的专业研究院在四川成都成立；1984年，我国核聚变领域的第一座大科学装置——用于通过磁场约束核聚变的中国环流器一号（HL-1）在核工业西南物理研究院落成。
时间来到2006年，中国与美国、俄罗斯、欧盟、韩国、日本、印度一同签署了全球最大的“人造太阳”——国际热核聚变实验堆（ITER）计划。这意味着全世界主要持核国家和覆盖人口近全球一半的几大国家都共同联合起来，群策群力地参与了到对核聚变这一未来能源的研究之中。
作为目前世界上规模最大的、影响最重要的国际能源合作项目，国际热核聚变实验堆计划的建造需要至少整整十年的时间、五十亿美元的资金，值得一提的是，这是1998年的五十亿美元。这个庞大的实验堆需要大约100万个部件，和至少1000万个零件，而自2006年草签也就是正式执行之日起，各国都开始为了实验堆的安装而“在家”闷头准备各自负责的部分。
在核聚变能源“人造太阳”项目上，中国为什么最有希望
【1】中国负责的ITER项目核心部件已完成首件制造
中央电视台新闻中所提到的“冉冉升起”其实指的是由中国负责的国际热核聚变实验堆计划的核心部件——增强热负荷第一壁已经完成了首件全尺寸原型的制造。什么是增强热负荷第一壁？第一壁是指在核聚变中直接面对实验堆内芯等离子体的真空室壁。它有多关键呢？第一壁能封闭等离子体，直接吸收等离子体释放的20%能量。
大家都知道，核聚变实验堆的温度高达上亿摄氏度，增强热负荷第一壁的作用就是在距离反应堆一定距离的地方“容抱”等离子体上亿度的超高温，在经历高温辐射不融化的情况下还要保持性能——保证等离子体受强磁场约束在真空当中，持续地产生大规模反应。
如果没有它的阻隔的话，实验堆内芯氢离子体的喷溅辐射会造成极严重的腐蚀，外壁制造用材料什么都无济于事，只会被直接汽化。而连反应堆都无法隔离开来，就更别提控制核反应“人造太阳”了。
而这一件最关键的核心部件由中核集团核工业西南院完成制造，不仅比最初的设计要求更优秀，还实现了该部件的批量制造。目前，中国掌握的该项技术已经率先通过国际认证，这说明在此领域中国已经走在世界的前端位置。
【2】中国在ITER项目中的“保质保量”促进了组装的进度
国际热核聚变实验堆计划的规模还是十分庞大的，除欧盟以“团体”身份承担了46%以外，其他的国家含中国在其中承担了9%的工作，除了以上提到的难度贼大的“增强热负荷第一壁”外，还涉及其他的设计、制造和建设任务。比如，中国承包了足有18个采购包的制造任务，参与到其中的高校、科研单位以及企业就有上百家。
可以说，中国在国际热核聚变实验堆计划中扮演的角色不单单是重要而言，那叫举足轻重。毕竟，是中国活生生地把实验堆的组装进度给拖了上来。
按原计划，实验堆早在2019年就应该组装完成，没停滞的话现在等离子体都已经不知道生产多少了。可是，疫情、政治加上各种突如其来的利益拉扯和意外，工期严重滞后，直到2021年7月，在法国总部的组装才正式开始。
值得一提的是，就连这次终于到来的组装，也是由实在看不下去了的中国与法国共同成立了中法联合体，同原来的项目组织方签订协议：核心部件的制造与安装都由我们中国来！搞快点！再按原计划下去，黄花菜都凉透了！
果然，核心任务交给中国之后，速度“蹭蹭蹭”地加快。今年5月，呈放整个“人造太阳”设备的“杜瓦底座”完工，7月中国从4月就运出的2台核心内馈线部件抵达法国，整个计划的成员国等待已久的实验堆组装终于开始。
而这期间，是中科院、中科大等等离子相关单位不管疫情、不管节庆都守在法国收货，加班加点地赶才保证了进度。
仿佛一夜之间，中国就从后加入的“跟跑”成员国转变成为了“领跑”的人。但是对整个国际热核聚变实验堆计划而言，开始组装还只是第一步，之后还有近乎20年的操作试验时间。其中变数不可谓不大，起码要是另外几个国家还这样掉链子的话，估计时间还得往后拖。
【3】ITER“人造太阳”项目，中国获益匪浅
作为全球首个可控核聚变发电技术的商用实验项目，ITER真的是汇集了世界各国的物理工程精英以及管理人才。许多人对此却产生了一个新的疑问：这么多国家参与，那成功之后的专利属于谁？中国能分得一杯羹吗？
中国在核聚变领域展现出一定的能力之后，正式地站上了世界的核聚变舞台。加入ITER项目后，更是用“增强热负荷第一壁”打响了响亮的第一枪。而这一枪，真正将“核聚变第一壁”和“可控核聚变发电装置”两项关键技术打进了我们自己的口袋里。毋庸置疑的是，这两项技术是中国自主掌握的工艺和原理，其中涉及到的发明专利必然属于中国申请。
而在专利之外，中国在ITER勤勤恳恳“打工”获得的更多东西才是受益匪浅：如何实现氚元素在公斤级别的提取、分离、循环；如何实现氘、氚等元素从毫米到吨级远程自动控制与操作；包括超高真空技术、超大型低温技术等……而这些技术一旦获知，中国将实现大迈步的跨越。
中国的“人造太阳”从来就没有放在同一个篮子里
【1】参加ITER前中国的“人造太阳”项目
中国积极加入ITER项目，一方面是确实因为参与更多才能学到更多，而另一方面也是因为中国在“人造太阳”项目上的技术的确已经出众到了这几大国家想要拉拢一起“搞事”的程度。
中国的第一个中型聚变研究装置HT-7，是在前苏联解体后莫斯科的库尔恰托夫研究所（原苏联科学院原子能研究院）赠送的托卡马克T7的基础上改进而来。说是改进都是谦虚的说法了，据说送来时和废掉的破铜烂铁差别不大，中国的核工团队重新设计、改造，下了许多功夫才终于在1994年建成HT-7，因为建在中科院所在的安徽合肥，所以人送外号“合肥超环”。
“合肥超环”在1993年被12位国际核聚变科学家组成的评估小组一致认为是“发展中国家最先进的托卡马克装置”，中国也因此成为在俄国、法国和日本日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家。
在HT-7之后，中科院团队想要制造出中国自主设计、自主研制并拥有完全知识产权的“托卡马克”的决心越发明显。因为HT-7的部分部件还是属于前苏联才有的技术，一旦出现故障还是得请俄罗斯的专家来修。也是抱着这样的决心，中国的团队于2006年建成了“东方超环（EAST）”。
“东方超环”从诞生到现在打破了多项世界纪录，包括但不限于实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度；以及在1亿度超高温度下运行了近10秒。这意味着，核聚变速度越快，产生的温度越高，就越容易爆炸，释放的能量也就越大。而且这种能源释放是可以受到人类控制的，从物理以及工程基础上而言，这是可以迈向商业用途的一大步。
【2】参加ITER后，中国的CFETR项目
无论是“合肥超环”还是“东方超环”，它们的建设都为核聚变领域培养了更多的人才以及累积更多的经验。因此，在参与国际热核聚变实验堆计划的同时，中国也在筹备自己设计的聚变工程实验堆——CFETR。得益于在ITER“打工”的日子，我们学到了不少，也正准备用到自己的身上。
CFETR项目由国内的中科大、中科院等离子所、核工业西南物理研究院以及绵阳9院主导，多家高校及军工企业所参与的，计划在2035年前完成建设，2050年前完成试验。
而与此同时，“东方超环”的实验项目仍在继续，率先实现了国际上百秒量级的高约束模式运行；由核西物院主持的“托卡马克”——中国环流器二号M装置也于2020年在成都建成并放电，如今离子体电流已突破 100 万安培……在磁场的高约束模式下运行越快、电流传输越多，越能够证明之后的磁约束情况下核聚变发电的安全性。
目前全球大部分国家都有自己的核聚变实验装置，例如俄罗斯的T-15，日本的JT-60U等，但唯有中国的聚变实验堆是在将实验与模型向现实与实用推进，这也正是中国核聚变实验堆建设的意义——以建设商业聚变实验堆为目标。
国内的物理工程领域有一个经久不衰的段子“实现可控核聚变永远还要五十年”，人们每每看到相关的新闻说有了进一步突破时，也会说起这个梗“但愿我这是最后五十年”。
虽然听来有些悲哀，但主要有无数的核工人在殚精竭虑地为此努力，甚至“燃烧”自己，那每一点的进步就都算得上是希望。
人类对于核裂变反应利用率的研究也在近年来不断增长，对于核聚变的刚性需求也在不断显现。这一切，都是中国乃至世界从未放弃“人造太阳”项目的原因。
参考资料：
陈科：“人造太阳”ITER核心部件首件中国制造完成，科技日报
唐琳：我国“人造太阳”装置创造世界新纪录，科学新闻. 2022,24(03)
罗旭：在中国点亮第一盏“聚变之灯”——记“中国青年五四奖章集体”的新一代“人造太阳”中国环流器二号M装置研制团队，国防科技工业. 2022,(06)
张宣：可控核聚变为何被称为“终极能源”，新华日报
可控核聚变为何被称为“终极能源”，科学大观园. 2022,(02)
宋执权：中国与国际热核聚变实验堆组织合作建设世界最大“人造太阳”，南方能源建设. 2022,9(02)
人造太阳：中国走在世界前列，今日科技. 2020,(08)
国际热核聚变实验堆（ITER）计划从建造阶段迈入装配阶段，河南科技. 2020,(23)
中标ITER 中国企业为“人造太阳”装“心脏”，中国高新科技. 2020,(01)
高敬：中国首批“人造太阳”磁体支撑产品正式交付，科技传播. 2018,10(12)
我国成功研制国际热核聚变实验堆（ITER）大型超导磁体系统首个部件，机械制造. 2017,55(08)