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地球上的石油、煤等化石能源耗盡後，人類靠什麽生活？一種被稱為「托卡馬克」的「人造太陽」實驗裝置，承載起人類邁向能源自由的夢想。近期，中國托卡馬克核融合實驗裝置取得重大成果：新一代「人造太陽」中國環流三號（HL—3）實作電漿電流1.6兆安，達到國際領先水平，電漿電流、融合「三乘積」等核心參數再上新台階；東方超環（EAST）首次實作1066秒長脈沖高約束模電漿執行，再次創造了托卡馬克裝置新的世界紀錄。人民日報科技·新知版「瞰前沿」聚焦國內外「人造太陽」的最新研究進展，看看人類距離可控核融合還有多遠。
「一團耀眼的白光從山脈盡頭升起……」在科幻小說【三體】中，太空飛船核融合發動機發出的光芒如同太陽。利用核融合等技術，人類走出地球家園，走向廣袤宇宙。
萬物生長靠太陽。太陽之所以能發光發熱，是因為內部的核融合反應。核融合能具有資源豐富、環境友好、固有安全等突出優勢，是人類理想的未來能源。如果能造一個「太陽」來發電，人類有望實作能源自由。
2024年，科技部、工業和資訊化部、國務院國資委等七部門聯合釋出【關於推動未來產業創新發展的實施意見】，指出加強推進以核融合為代表的未來能源關鍵核心技術攻關。實作融合能源套用是中國核能發展「熱堆—快堆—融合堆」三步走戰略的最終目標。
可控核融合作為典型的前沿性、顛覆性技術，未來一旦實作套用，將徹底改變世界能源格局，保障中國未來能源安全。
「人造太陽」從「核」而來用1升水「釋放」燃燒300升汽油的能量
EAST裝置主機結構
核融合是將較輕的原子核聚合反應而生成較重的原子核，並釋放出巨大能量。
1952年，世界上第一顆氫彈成功試爆，讓人類認識到氘氚核融合反應的巨大能量。但氫彈爆炸是不可控的核融合反應，不能提供穩定的能源輸出。從此，人類便致力於在地球上實作人工控制下的核融合反應（即可控核融合），希望利用太陽發光發熱的原理，為人類鋪展能源自由之路。因此，人們也將可控核融合研究的實驗裝置稱為「人造太陽」。
氘氚融合作為能源，具有明顯優勢。首先，氘氚融合所需燃料在地球上的儲量極為豐富。氘大量存在於水中，每升水可提取出約0.035克氘，透過融合反應可釋放相當於燃燒300升汽油的能量；氚可透過中子轟擊鋰來制備，在地殼、鹽湖和海水中，鋰大量存在。其次，氘氚融合反應不產生有害瓦斯，無高放射性活化物，對環境友好。
然而，「人造太陽」維持自身燃燒的條件非常苛刻。英國科學家勞遜在20世紀50年代研究了這一條件的門檻——也被稱為融合點火條件。據計算，實作可觀的氘氚融合電漿離子溫度要大於1億攝氏度，電漿密度、溫度和電漿能量約束時間的乘積（「三乘積」）大於5×1021千電子伏特·秒/立方米。
數十年來，國際上探索了眾多核融合路線。目前，實作核融合反應主要有重力約束、磁約束、慣性約束3種方式。太陽因本身品質巨大，可透過巨大重力，在極端高溫高壓的環境下發生重力約束核融合反應。而在地球上，實作可控核融合主要有磁約束核融合、雷射慣性約束核融合兩種方式。雷射慣性約束核融合可以采用雷射作為驅動器壓縮氘氚燃料靶丸，在高密度燃料電漿的慣性約束時間內實作核融合點火燃燒。采用強磁場約束電漿的方法把核融合反應物質控制在「磁籠子」裏面，就是磁約束核融合。
道路依舊充滿挑戰「穩態自持燃燒」是源源不斷獲取融合能的關鍵
中國環流三號建成後取得得主要成果
在眾多技術途徑中，托卡馬克是透過電漿電流和外部磁體線圈產生的螺旋磁場局限融合燃料離子，被認為有望率先實作融合能源的套用，也是目前全球研發投入最大、最接近核融合點火條件、技術發展最成熟的途徑。
托卡馬克最初是由蘇聯庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的，是一種利用磁場約束帶電粒子來實作可控核融合的環形容器。當前，世界上建成並執行了超過50個不同規模的托卡馬克裝置，不同托卡馬克裝置的幾何尺寸、電漿約束效能等也各有不同。目前中國執行的托卡馬克主要包括常規托卡馬克和球形托卡馬克。
自托卡馬克開展實驗以來，電漿綜合參數不斷提升，「三乘積」提升了幾個數量級，逐漸趨近點火條件。歐洲的JET與美國的TFTR裝置上獲得氘氚融合功率輸出，揭示了托卡馬克磁約束可控核融合路線的原理可行性。2021—2023年，JET創造了69兆焦耳融合能輸出的世界紀錄。
托卡馬克磁約束核融合研究雖然不斷取得突破，但前方的道路依舊充滿挑戰。爐心電漿「穩態自持燃燒」是源源不斷獲取融合能的關鍵，實作該目標主要有五大類問題需要解決。
一是電漿非感應電流驅動問題。電漿電流由歐姆驅動電流和非感應驅動的電流組成。歐姆驅動電流是基於變壓器原理，透過電漿外部線圈電流變化感應而來的。對於非感應電流驅動，一部份可以透過外部的高功率微波和中性粒子束註入來驅動，另一部份則來自電漿自身壓力梯度產生的「自舉電流」，實驗上希望電漿自己提供的這部份電流份額越高越好。
二是加料與排灰問題。融合電漿被約束在真空室內，形成一種類似「甜甜圈」的形狀。在「甜甜圈」環向軸中心位置附近的電漿密度和溫度最高，越往邊界參數越低。傳統加料方式註入的中性瓦斯氘和氚，難以深入電漿芯部，其燃燒效率難以提高。同時爐心電漿融合反應，會產生大量的氦，也被稱為氦灰。氦灰容易堆積在芯部，導致電漿效能退化，甚至引發電漿熄滅。
三是電漿與材料交互作用問題。融合堆執行期間，一些攜帶高能量的粒子可能突破磁場的約束，撞擊在融合裝置的內部部件上，對這些部件材料造成威脅。同時，如果融合堆執行期間發生的粒子與材料交互作用在電漿邊緣產生大量雜質，這些雜質會稀釋燃料離子的濃度，使融合電漿效能顯著下降，融合功率難以穩定維持。
四是Alpha粒子物理問題。Alpha粒子是氘氚融合的帶電粒子產物氦（攜帶3.5 百萬電子伏特能量）的別稱。目前，由於長期缺乏合適的實驗平台開展相關實驗，燃燒電漿Alpha粒子物理研究深度還不夠，相關的科學問題還需要在氘氚融合實驗裝置上進一步驗證。
五是大尺度磁流體不穩定性和大破裂控制問題。融合電漿中還存在大量的不穩定性，這些「不穩定性因素」會在不同程度上破壞核融合反應的安全穩定執行。
探索交叉領域人工智慧嶄露頭角
近年來，為開展「穩態自持燃燒」問題的研究，國際上各大裝置實驗向著更高參數邁進。中國的中國環流系列、東方超環等可控核融合裝置執行不斷取得突破，如國內當前規模最大、參數能力最高的中國環流三號首次實作100萬安培電漿電流高約束模執行，創造中國磁局限融合裝置執行紀錄。2023年在歐盟與日本合建的當前規模最大托卡馬克JT—60SA上也實作了100萬安培電漿放電。2025年1月，東方超環創造了1066秒的高約束模電漿執行紀錄。
近年來，人工智慧在可控核融合研究領域展現出強大的賦能作用。深度學習、擴散模型等前沿技術被套用於高精度電漿模擬程式的加速計算等場景，帶來技術突破。
2019年，哈佛大學與普林斯頓電漿物理實驗室的研究團隊，使用在美國執行的DIII—D托卡馬克裝置上訓練出的深度神經網路模型，以超過90%的正確率預警了JET裝置的破裂事件。2022年，谷歌旗下DeepMind團隊與瑞士聯邦理工學院合作使用強化學習智慧體在TCV托卡馬克上實作了限制器、常規偏濾器、先進偏濾器甚至雙環電漿位形的控制。2024年，南韓中央大學與普林斯頓電漿物理實驗室的研究團隊使用深度學習方法，在KSTAR與DIII—D托卡馬克上成功預測了撕裂模不穩定性的增長機率，並結合強化學習演算法，在提升電漿比壓的同時對撕裂模增長機率進行控制。
國內機構、高校也在融合與人工智慧交叉領域開展了大量探索。中核集團核工業西南物理研究院將破裂預測、平衡反演代理模型、邊緣局域模即時辨識與控制等人工智慧模組套用於核融合裝置的控制執行，有效解決了部份控制問題。
展望未來，可控核融合一旦實作套用，將為人類提供豐富、清潔的理想能源。科幻中的未來科技，或許能在可控核融合的支撐下成為現實。
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中國環流三號
中國環流三號（上圖）是目前中國規模最大、參數最高的托卡馬克裝置，由中核集團核工業西南物理研究院自主設計、建造和執行，裝置總高8.39公尺，直徑8公尺，電漿離子溫度可達1.5億攝氏度。
中國環流三號2020年建成後，多次重新整理中國可控核融合裝置執行新紀錄。2023年12月，中核集團核工業西南物理研究院與國際熱核融合實驗堆（ITER）總部簽署協定，宣布中國環流三號作為ITER衛星裝置面向全球開放。
東方超環
東方超環（上圖）是中國自主研發的世界上第一個全超導托卡馬克核融合實驗裝置。該裝置由中國科學院合肥物質科學研究院電漿物理研究所自主設計、研制，擁有完全智慧財產權。
東方超環基於磁約束核融合原理工作。近年來，東方超環在電漿的參數如溫度、密度、持續放電時間上不斷取得突破。東方超環的建設和投入執行為世界穩態近爐心融合物理和工程研究搭建起一個重要的實驗平台，使中國成為世界上第一個掌握新一代先進全超導托卡馬克技術的國家。
資料來源：中國科學院合肥物質科學研究院電漿物理研究所
報道來源：【人民日報】2025.2.8第6版
(來源: 人民日報一撇一捺微信公號)
