# 中国的受控核聚变 ![](https://piccdn3.umiwi.com/img/201910/02/201910022334479555332683.jpeg) 这几天是国庆假期，咱们借助这个情绪来讲一个国家大事：中国搞受控核聚变的前景。 说这个话题我必须非常小心才行。我曾经在磁约束核聚变的物理方面参与过一些研究，也跟国内的同行有过交流，但是我离开这个领域已经好几年了，况且现代科研分工越来越细，我参与的是很小的一部分，所以我说的不可能完全准确。 这一讲我只想跟你说受控核聚变研究的一个特点。而以我之见，这个特点决定了它的宿命。 这个宿命就是受控核聚变的商业运行，将首先在中国实现。这将是现代中国为人类作出的一项重要贡献。 但是你先别乐观，咱们先说基本的。 ＊ 我们之所以研究受控核聚变，是想用它来发电。核聚变是容易的，氢弹就是核聚变，太阳的能源也来自于核聚变，难处在于“可控”。所谓核聚变，就是两个原子核，通过核反应，聚集在一起变成一个大的原子核，同时释放能量的过程。我们想要这个能量。 最容易实现的核聚变，是让氢元素的两个同位素，氘和氚，发生反应，如下图所示 —— ![](https://piccdn3.umiwi.com/img/201910/02/201910022153174336656757.jpg) 图中灰色的小球代表中子，橙色的小球代表质子。一般的氢原子，都是原子核是一个质子，外面有个电子。“氘”和“氚”，跟氢元素的化学性质完全一样，唯一区别是它们的原子核里除了质子之外还各自包含一个和两个中子，也就是图中上面那两堆小球。 氘和氚对撞在一起发生“聚变”，产生了一个更大的原子核，“氦”，和一个多出来的中子 [1]。这两个聚变的产物都带有强烈动能，图中用MeV表示。 我们只要把这个中子的动能用起来，比如用来烧水，就可以发电了。 而这是一种用之不竭的能量！氘，海水里有的是。氚，可以用氘和锂元素发生核反应得到，而锂元素也很便宜，所以燃料不成问题。而聚变反应产生的能量，相对于燃料的重量而言，是非常巨大的。有多大呢？比如你想要一个发电一百万千瓦的发电站，如果烧煤，你每年需要 210万吨煤；如果是现行的、基于核裂变的核电站，你需要 30 吨核燃料；而如果是核聚变，你只需要 600 公斤燃料。 而且核聚变非常安全，它绝对不会发生爆炸。 便宜、安全、不限量、几乎无污染、绝对没有碳排放，所以核聚变是人类的终极能源解决方案。 那你说既然中国正在搞这么厉害的技术，而且还处于领先位置，是不是应该做好保密工作，别被别国抢了先呢？ 那你就想多了。 有一个著名的业内笑话说，过去这么多年以来，政府每次问科学家受控核聚变啥时候能实现，科学家的回答永远都是“三十年以后”。 ＊ 要想让氘和氚碰到一起发生核反应，必须让它们充分接触、发生碰撞才行，这就意味着密度必须得足够大，温度必须得足够高，而且接触时间还必须得足够长。这三项是可以互相取舍的，也就是说如果你的温度特别高，那么密度低一点也可以。 如果你选择密度高温度低，那就是“惯性约束”，这条路在十年以前被美国人证明似乎是不太可行的。主流的选择是让密度比较低，这样氘和氚都是很稀疏的气体，但是温度要很高，大约相当于太阳核心温度的十倍。把气体加热到这个温度倒是没什么大困难，困难在于怎么保持这个温度。 这就好比说你有一团热气，你总要用个什么容器装它，对吧？可是容器得是固体不能有那么热。那么热的气体如果接触到容器的冷的墙壁，气体不就冷下来、或者干脆就被墙壁吸收了吗？我们必须避免这一点，我们必须让这团热气“可控”。 好消息是在这个温度下，氘和氚原子的电子就都已经被剥离了，它们成了带电粒子 —— 而带电粒子会沿着磁场运动。那我们只要弄一个环形的磁场，让这些粒子沿着磁场转圈，它们不就被悬空约束住了吗？ 这正是当初苏联科学家想出来的办法。这个装置叫做“托卡马克（Tokamak）”，如下图 —— ![](https://piccdn3.umiwi.com/img/201910/02/201910022154264398389804.jpg) 图中粉色的就是氘和氚的带电粒子气体 —— 这种带电的气体叫做“等离子体”。黑色的曲线就是磁场的总磁力线，其中主磁力线（白色）由外面包着的那些蓝色的导体线圈生成，还有侧向的磁力线（绿色）由等离子体的电流自己生成。 氘氚等离子体就这样在托卡马克内部转圈，温度极高而又不必接触到墙壁，这岂不是非常理想吗？ 但这只是理想的情况。 ＊ 等离子体并不会老老实实地一直沿着磁力线就这么走下去。托卡马克里会发生各种“不稳定性” —— 就好像大街上的一个车队，走着走着就在这里发生拥挤、那里发生骚乱。当然所谓的不稳定性并不会带来爆炸，但是也可能有比较激烈的行为，导致热的等离子体接触到冷的墙壁，让核反应不能继续进行不说，还可能破坏墙壁内侧的材料。 之所以会有这些不稳定性，主要是因为那一束等离子体流的温度和密度都集中在核心，到边缘几乎是 0：就好像一个人憋着一口气，内部压力非常大。想要约束好等离子体，实现实用化的运行，就必须想办法克服这些不稳定性。 而物理学家一度几乎就绝望了。你好不容易按住一种不稳定性，另一种又出来了。你连这种不稳定性都没研究明白，转眼又发现一种新的。 这大概就是为什么后来各国政府一想，干脆都别搞保密研究了，这个问题太难，咱们把研究结果都公开吧。托卡马克首先要解决的是纯科学问题。一直到现在，有关托卡马克的一切物理学研究结果都是公开和共享的。 就在物理学家们几乎绝望的时刻，德国的科学家有了一个意外发现。 ＊ 德国有个托卡马克装置叫 TFTR。上世纪八十年代末，有一次他们做了一个极端的实验，把等离子体核心温度弄到了很高。按理说这有点赌气了，因为常理来说，核心温度越高，等离子体就越不稳定，约束就会越差。 可是 TFTR 这有如神助的一个动作，居然发现核心温度达到很高之后，约束不但没有变差，而且还突然变好了！ 这就好比说你在女朋友面前一直小心翼翼，可她还是总对你发火；有一天你一怒之下干脆来了一把强硬的，结果她反而变得很温柔 —— 物理学家把这种模式，叫做“高模式（H-mode）”。 高模式是大自然送给物理学家的礼物。现在全世界的托卡马克装置都实现了高模式，实验物理学家完全知道怎样弄出一个高模式来。最早发现高模式的那个TFTR，后来被咱们中国给买去了，放在四川成都的核工业西南物理研究院，重新命名为“环流器一号”，现在仍然在做实验。 好，那请问，高模式的物理学原理是什么呢？为啥温度上去了，约束反而变好了呢？ 没人能说清楚。 ＊ 这就是我要说的受控核聚变研究的特点：实验远远领先于理论。这在物理学上是非常不寻常的事情。 一般的物理学，比如说相对论，常常是理论领先于实验。爱因斯坦先想出来一个学说，然后别人再观测验证。比如像著名的“上帝粒子” —— 希格斯玻色子，是早在几十年前，就有六位理论物理学家做出了预言，然后才用实验验证。从这个意义上来说大型强子对撞机（LHC）发现希格斯玻色子根本谈不上是“发现了新物理”，应该算“验证了旧物理”。 可是磁约束等离子体不是这样的。面对托卡马克，理论家几乎是无能为力。 托卡马克物理学并不是特别“神奇”，以至于需要爱因斯坦；也不是特别“繁杂”，用计算机就行；而是特别“复杂”。它的复杂之处在于磁场和等离子体的轮廓都是不规则的形状，而物理性质又对形状特别敏感。你稍微变换一下形状，不稳定性可能就不一样了。 这就使得人脑根本就无法直接计算托卡马克的物理学，必须使用计算机模拟。 我们知道现代计算机已经能模拟一个很大的区域很多天的天气情况。但是等离子体气体比地球大气复杂得多。你必须使用非常小的近似尺度才可能重现实验中的不稳定性，可是这也意味着你只能模拟一小部分托卡马克 —— 而很多不稳定性是全局性的现象！ 至今为止，没有任何一个程序、没有任何一个超级计算机，能在不损失物理学[2]的情况下模拟整个托卡马克。 我以前干的事儿就是用计算机模拟方法研究托卡马克的不稳定性。我的感言是，整天被动追逐别人做的实验，并不是一种很愉快的体验。 ＊ 现在情况是实验中频频有新发现。磁场形状变一变，约束能不能更好？往等离子体里加入一些杂质，会不会更稳定？这些思路你可以想一出是一出，常常收获惊喜。 可是理论和模拟完全跟不上。我的感觉是美国和欧洲的物理学家似乎并不是很想让受控核聚变做成。他们沉浸在理论能研究的简单的小问题之中，完全出于学术兴趣做研究。 但是中国非常着急。 在当前层出不穷的实验新成果中，中国合肥的 EAST（东方超环，也就是所谓的“人造太阳”）表现很出色。比如前面说的那个高模式，EAST 实现了最长时间的稳态运行。 高模式本身还可能自带不稳定性，有一种发生在边缘的不稳定性是致命的，各国都在想法避免。而中国这个EAST，就发现了属于自己的避免致命不稳定性的方法。现在美国政府都专门设立了资金帮中国的实验装置做模拟。 ＊ 现在物理学家对托卡马克的可行性是越来越有信心了。各国已经共同出资在法国联合建设一个大型托卡马克实验装置，叫 ITER ，预算 200 亿欧元，大概是史上最贵实验装置。本来说 2020 年就能建成开始做实验，后来改成 2026 年，现在大概又改到了 2030 年。中国表示等不了。 中国目前正在筹划建设一个叫做 CFETR 的大型托卡马克，算是工程验证机，打算在 ITER 之前，先看看商用托卡马克的各种工程问题怎么解决。 其实以前所有的托卡马克，几乎都没有发生过核聚变，一般都是只用氘做点物理研究。那氚怎么办？我们的设想是现场制备，可是怎么个制备法？中国打算先验证一下。再比如说一旦达到聚变点火温度， 托卡马克内壁的各种材料能不能承受得了？也得中国先验证。 总而言之，我认为受控核聚变是个实验远远大于理论，工程像科学一样重要，不一定需要爱因斯坦但是需要投入很多人力物力的研究，而这恰恰是中国的强项。 如果一切顺利，我认为商业化受控核聚变将在三十年以后，首先在中国实现。 ![](https://piccdn3.umiwi.com/img/201910/02/201910022156401397331302.jpg)