34年追逐太阳，聚变电站不是梦

煤、石油、天然气，这些人类赖以生存的不可再生能源，终有一天将被耗尽，人类社会会停止发展吗？答案是否定的，因为存在这样一种大科学装置，未来只需200公斤的重水和锂就能支撑上海一年的用电量！

这不是科幻，这是承载着人类能源希望的 “人造太阳”托卡马克。它像太阳一样产生无穷、永久的清洁能源，为此，中科院SELF讲坛联合墨子沙龙邀请到中国工程院李建刚院士进行深度解读。

李建刚

中国工程院院士 中科院等离子体物理研究所研究员

中国科技大学教授 中国磁约束聚变专家委员会召集人

《plasma science & technology》主编

长期从事聚变研究，在超导托卡马克工程系统的设计、关键技术、建设、集成、科研等方面取得了多项重大成果。

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▲李建刚在SELF格致论道讲坛

人造太阳 受控的核聚变装置

什么是人造太阳？托卡马克又是什么？
李建刚院士做了这样一个类比：电影《钢铁侠》里，钢铁侠胸前可发巨大光束的离子发射器其实就是一个人造太阳。 
由于仿造原理是太阳内部的热核聚变反应，所以称之为“人造太阳”。当把装置内的气体加热到上亿度之后，它会发生巨变进而产生巨大的能量。而这种受控的核聚变装置叫托卡马克（Tokamak），名字来源于环形（Toroidal）、真空室（Kamera）、磁(Magnet)、线圈(Kotushka)。

可大规模生产的无限量清洁能源

人造太阳有上亿度的温度，若要把它装进普通的容器里，在顷刻之间就能烟消云散。于是科学家想到一个办法——用磁的方法将这团上亿度的等离子体火球悬浮起来，在不与容器周边的材料接触的条件下，进行加热、控制，进而成为“太阳”。

然而，现实操作却异常复杂。
首先，悬浮起这团等离子体的火球不是普通的磁场，而是比地球南北极的磁场还要高两万倍以上的一个巨大磁场。
有了磁场还不够，还要考虑悬浮所需的燃料。好在，这种燃料并不难获得。李建刚院士指出，这种燃料是氢的同位素——氘和氚，它们在海水里含量大，资源无限丰富。而且聚变之后的产物就是能源中子和氦气，完全不含其他高放的废料。从这个角度来说，人造太阳作为资源来说是无限的而且绝对清洁，是可以大规模生产的。

关于聚变电站的原理，李院士说，首先得有一个类似笼子的磁体外壳（磁笼子），把它形成一个等离子体，用超高温物体使它加热到上亿度，从而能产生氦和中子。中子跑到包层材料中使它加热，加热之后通过水使它转换成蒸汽，通过蒸汽发电。

中国的聚变之路

过去50年，聚变的发展虽然不如计算机一样家喻户晓，但成绩还是非常可观。尤其是在一些发达国家，例如欧洲、美国和日本，他们在一些大装置上都同时实现了可控的核聚变。
其实在很多年前，中国也开始做核聚变，托卡马克最早是苏联人的发明，在90年代初期，中国用价值400万人民币的羽绒服、瓷器和上好的家具在他们手里换来了1800万卢布的托卡马克装置。我们花了一年半的时间把它全部拆掉，又花了两年的时间把它装起来，在这上面做了大量的实验，成绩很不错，在其他国家聚变反应时间只能维持2、3秒钟的时候，我们的装置能多维持60秒钟。
也许有人会问，为什么聚变时间这么短，只有两三秒钟？
李院士说，因为磁笼子是用常规的铜线制作的，耗能大，但未来发电不可能只在弹指之间，必须是长久的、稳定的，所以我们大胆设想，降低温度使电阻为零，那么消耗的能量也变为零，我们便能够轻易得到聚变能量。听起来很容易，但实际操作并不简单。

造出一个太阳？难难难，难于上青天！

科学家们遇到的第一个难点是超导。为了可以长久的、稳定发生聚变反应，就要实现电阻为零，要实现电阻为零，必须进行超导。什么是超导？就是把上亿度的磁笼子悬浮在-269度的这样一个圆环里面。
第二个难点是，一旦聚变发生，会产生强烈的冲击波，即使被悬浮起来，它同样与周边材料有强相互作用。所以对可控范围和时间要求务必精确到零点几毫米零点几毫秒以下，否则一旦偏心，什么都将付之一炬。
解决第一个难点，首先需要用线圈使它悬浮起来，控制它处于中心位置不偏离。其次，装置内要保持真空减少能量损失，内部一共有5层真空，类似一个超大的保温炉，这样才能实现一亿度和-269度的结合。
解决第二个难点的思路是从材料上下手。在聚变装置里面，汇集了当今世界的各种极致技术，而采用的材料，也是世界上最硬的一种合金——钨合金。在上亿度的空间里既要悬浮起来，还要同时防止冲击波，难度可见一斑。

30年孤岛苦钻研 为什么中国一定要做？

东方超环

李建刚院士感叹道，从能源的需求上来说，中国比任何一个国家都更加需要能源。虽然我们没有发达国家那么雄厚的资金和研究基础，但几任国家领导人都坚持我们必须做下去。
李建刚院士最早接触到这个项目的时候，国内经济不像现在这样景气，即使在全球范围内，从事这个研究的人也很少，但在10年间，李建刚院士和他的团队还是突破了诸多难点，创造了几秒钟几百万度等离子体放电的纪录。
在九五大工程时，“人造太阳”这个提议在国内100多个提议中胜出。“人造太阳”计划要率先在全世界实现一个全超导的托卡马克——东方超环。保证它能稳定持久的进行放电，中心温度比太阳内部还要高五到六倍。虽然在当时，这个计划还只是验证了实验的可行性。
只有实验可行性明显是不够的。1985年冷战时期，里根和戈尔巴乔夫共同提议要在地球上建一个人造太阳，这个提议是要验证聚变的工程可行性。经过谈判，一共有七方参加，欧盟出资45%，中国、日本、美国、韩国、印度各出资9%，总耗资100亿欧元。这是中国当时参加的最大的一个国际合作项目。
通过这个项目，现在国内的企业发展得非常好，在西安拥有了全世界技术最先进，规模最大，产量最高的超导公司，一年生产150吨线圈短样，可用于满足航母起落架的需求。在山西，太钢钢铁集团现在能年产15000吨的耐强辐射不锈钢材料。虽然现在离聚变实现还有一段距离，但通过国际合作，中间过程的这些技术都能很好地应用于国民经济当中。

未来中国的聚变到底怎么做？60年内实现商用

聚变到底什么时候能实现？
李建刚院士表示，希望在十年之后建造中国自己的工程堆来演示发电，在50年到60年间能够商用化。目前已经有了初步的聚变堆设计图，它外表看起来像一只大鹏，象征着人类追求聚变的梦想，也象征着中华民族腾飞的梦想。经过今后二三十年的努力，这个中国制造的人造太阳将会冉冉升起。
李建刚院士提起，自己在上大学的时候便拥有这样一个梦想，那就是在他有生之年造出一个人造太阳。

“美国、欧洲、日本，他们都是发达国家，它们被过去文明的光芒所照耀，但这个世界上还有很多地方是黑暗沉寂的。作为一个中国人，我希望人造太阳最好而且必须建在中国，不仅为我们国家提供长期发展的能源，还要照亮世界上其他没有被文明照亮的地方！”

——李建刚

出品：科普中国

制作：SELF格致论道讲坛 墨子沙龙

监制：中国科学院计算机网络信息中心

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。

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