冲出太阳系的第一步 | 袁岚峰
关注风云之声
提升思维层次
导读
早在1962年，钱学森就在《星际航行概论》里指出，冲出太阳系、飞向其他恒星的火箭能源，只能是核聚变。
1929年的一天晚上，德国物理学家弗里茨·豪特曼斯和一位漂亮的姑娘散步。女孩说：“天上的星星好美呀！”豪特曼斯说：“是的，然而现在我是世上唯一知道它们为什么闪烁的人。”女友笑笑，没说话。科学家的浪漫，真是令人忧伤……
古人对太阳充满崇拜之情，但谁也不知道太阳发光发热的根源是什么。直到二十世纪二三十年代，亚瑟·爱丁顿、罗伯特·阿特金森、豪特曼斯和汉斯·贝特等几位物理学家，发现太阳的能量来自核聚变。
爱因斯坦和爱丁顿
汉斯·贝特
2020年7月28日，国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，简称ITER）计划的托卡马克（Tokamak）装置安装工程启动仪式在法国南部的圣保罗-莱迪朗斯镇举行。
7月28日，ITER计划的托卡马克装置安装工程启动仪式在法国南部圣保罗-莱迪朗斯镇举行
ITER计划由中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方共同实施，是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。看这个阵容就知道，它承载着地球村全村的希望。
ITER计划历史
ITER旨在全面验证聚变能源开发利用的科学可行性和工程可行性，是人类可控热核聚变研究走向实用的关键一步，对于从根本上解决人类共同面临的能源问题、环境问题和社会可持续发展问题具有重大意义。从更长远的角度看，可控核聚变关系到人类是否能实现星际航行、逃离被太阳吞噬的命运。
值得一提的是，ITER的第一个重大部件安装，就是由中国主导的（科技日报：ITER又有新进展 地球上种的“太阳”已“发芽”）。这项安装工作是杜瓦下部筒体的吊装，所谓杜瓦就是保持低温的装置。承担这项工作的，是由中方牵头的中法联合团队，包括中国科学院等离子体物理研究所、中国核工业集团有限公司和法国法马通公司等。
科技日报2020年9月2日报道：《ITER又有新进展 地球上种的“太阳”已“发芽”》
此次吊装的精度和形变控制要求极高，杜瓦下部筒体直径30米，高10米，重量约400吨，尺寸大约占ITER托卡马克装置的三分之一。8月31日，他们圆满完成了吊装工作。
低温恒温器的基座。图片来源：ITER Organization/EJF Riche
想想看，在法国土地上建设的项目，法国也一向是以核工业大国著称的，总装却交给了中国牵头！这意味着什么？意味着中国的技术实力得到了地球村全村人的认可。
中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所等承担ITER总装核心任务（http://www.cas.cn/yx/201907/t20190723_4700667.shtml）
我在以前的一期节目（第四届中国制造日：地球村全村的希望 | 袁岚峰）中讲过2019年12月26日我参加第四届“中国制造日”直播的经历，我作为主持人，有一组对话嘉宾就来自中核集团。其中一位嘉宾是“大国工匠”未晓朋，他说以前他们的焊接技术是跟法国学的，而现在他们的技术碾压法国。
第四届中国制造日节目单
好吧，为了人类的利益，这种大工程还是多交给中国做的好。
冲出去只能靠核聚变
下面，我们来谈谈核聚变的原理。
核聚变是太阳和恒星的能量来源。在这些星体核心的巨大热量和重力下，轻的原子核聚合成重的原子核，并在此过程中释放出大量能量。
由于原子核都带正电，互相之间有静电斥力，在一般条件下，核聚变是不会发生的。但在太阳中心超级高温高压的条件下，氢就可以聚变成氦。这样的反应已经进行了46亿年，向外发出了巨大的能量。其中大约22亿分之一到达地球，就滋养了地球丰富的生态圈和整个人类。大自然的安排是多么不可思议！
当前的太阳
（https://www.yinhang123.net/zixun/shehuinews/2016/0523/70963.html）
再过50亿年，太阳将变成红巨星，氦开始聚变生成碳。到那时，太阳的体积会剧增，并吞噬地球。如果不从地球移民出去，人类也会被太阳吞噬。
变成红巨星的太阳（https://www.yinhang123.net/zixun/shehuinews/2016/0523/70963.html）
早在1962年，钱学森就在《星际航行概论》里指出，冲出太阳系、飞向其他恒星的火箭能源，只能是核聚变。
钱学森《星际航行概论》
难度巨大
太阳中心的温度是1500万摄氏度，压强是2000亿个标准大气压，在这样的条件下，氢可以聚变成氦。但地球上没有这么高的压强，要让原子核克服斥力发生聚变，就需要把温度提高到上亿摄氏度。有什么办法能达到这么苛刻的条件呢（用日星的能量上升到神的高度——科普核聚变 | 袁岚峰）？
一个方便的答案是核裂变。氢弹都是用原子弹引爆的，先用裂变达到聚变条件，再通过聚变放出更大的能量。原子弹的威力通常为几万至几十万吨级TNT当量，氢弹的威力则大至几千万吨级TNT当量。在科幻小说《三体》里，人类按照面壁者雷迪亚兹的计划，用氢弹在水星上炸了很多大坑，最后这些大坑真的拯救了人类。
中国第一颗氢弹爆炸
但氢弹是不可控的聚变反应，并不能作为能源。人类在能源阶梯上面对的下一级挑战，是和平、可控地利用核聚变。
可控核聚变的难点有二：如何将聚变材料加热到如此之高的温度？用什么容器来装温度这么高的聚变材料？把核聚变反应堆看成一个火炉，第一个问题就相当于“如何点火”，第二个问题相当于“如何不把炉子烧穿”。
解决第一个问题，惯性约束激光点火是一条思路。也就是说，把聚变燃料放在一个弹丸内部，用很多束超强激光照射弹丸，瞬间达到高温，弹丸外壁蒸发掉，并把核燃料向内挤压。美国国家点火装置（NIF）和中国的神光3号等实验装置，走的就是这条路。
激光惯性约束核聚变
解决第二个问题，磁约束是一条思路。它是指把聚变燃料做成等离子体（原子核和电子分离，都可以自由流动），用超强磁场约束等离子体，让它们悬空高速旋转，不跟容器直接接触。托卡马克装置走的就是这条路。
托卡马克装置示意图。图片来源：ITER
托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置。它的中央是一个环形真空，外面围绕着线圈。通电时其内部会产生巨大的螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高温度，以达到受控核聚变的目的。
一大麻烦在于，这两条路是互相矛盾的。聚变燃料如果处于静止，就很难不把容器烧穿；而如果处于运动中，聚焦点火又变得困难。这就是可控核聚变难度如此之大的原因。
中国未来可期
2016年11月初，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所设计研制的先进实验超导托卡马克EAST，成为世界首个实现稳态高约束模式运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。为使国内外专家易于发音、便于记忆，同时又有确切的科学含义，该装置的名称由“实验（Experimental）”“先进（Advanced）”“超导（Superconducting）”“托卡马克（Tokamak）”四个词的英文首字母拼写而成，同时具有“东方”的含义。
世界第一个全超导托卡马克EAST
（http://www.ipp.cas.cn/kxcb/hjb/EAST/）
以往的一些核聚变实验难以控制不稳定的等离子体，但在EAST上进行的实验中，处在被极强电磁场屏蔽的一个环形室中的等离子体被控制在一种高效稳定态H-mode，即高约束模式。物理学家认为，高约束模式是未来核聚变电站的最佳工作状态。简而言之，核聚变更加“可控”了。
2018年度EAST实现的1亿度等离子体放电（http://www.ipp.ac.cn/xwdt/ttxw/201811/t20181112_457457.html）
2016年，中国研制的热核聚变堆核心部件在国际上率先通过认证。这种核心部件是盛放超过1亿摄氏度的聚变燃料的容器。在权威机构进行的实验中，该材料经受住了比设计标准还高20%的极端高温环境的考验。简单说，更“耐热”了。这就有可能克服惯性约束与磁约束之间的矛盾，在“不烧穿炉子”的情况下实现点火。
2016年12月10日，《新闻联播》报道我国研制的核聚变堆核心部件在国际上率先通过认证，这是我国对国际热核聚变实验堆项目的重大贡献
EAST是用来研究等离子体物理的，它本身并不能实现核聚变。什么装置能实现核聚变呢？答案就是ITER。它有100多万个部件，将成为世界上最大的托卡马克装置。
ITER 组件建造分工ITER 组件建造分工，中国主要参与建造磁体馈线（feeder，左上角）和极向场线圈（PF coils，左下角）。图片来源：ITER
为了准备机器的组装，近几个月来，这些前所未有的巨型部件已经陆续运抵法国。许多部件重达几百吨，长度超过15米。它们还必须遵循一个复杂的时间表，按时到达法国（世界最大“人造太阳”今天启动组装！35国历时14年共建国际热核聚变实验堆ITER，中国建造多个核心部件）。
在 ITER China 网站上可以查看所有中国制造的部件。网址：http://www.iterchina.cn/index.html
ITER组织总干事贝尔纳·比戈（Bernard Bigot）说：“项目管理、系统工程、风险管理和机器装配物流的每一个方面都必须协同配合，像瑞士手表一样精确。”
根据ITER发表的公报，组装工作将于2025年12月结束，然后进行首次等离子体放电。理想的前景是，2070年前后，商业的核聚变反应堆开始发电，本世纪内推广核聚变发电的商业应用。
比戈说，如果核聚变投入广泛使用，并成为可再生能源的补充，电力的使用量将大大提升，交通、建筑和工业带来的温室气体排放将减少。实现仅使用清洁能源，将是我们这个星球的一个奇迹。
我们对ITER寄予厚望，但并非全部的希望。因为国际合作工程可能陷入多国扯皮的窘境，ITER此前就延期了很多年。2017年，中国在合肥启动了中国聚变工程试验堆（CFETR）的工程设计，预期在2050年前后建设聚变商业示范堆（【百万播放】国际核聚变项目猪队友太多？中国：算了，我自己来）。
中国聚变工程试验堆CFETR建筑群效果图
中国的决心和工程能力，可望对人类跨过这个终极挑战提供坚强的保障。
中国磁约束聚变发展路线图
而在我们无法看到的未来，人类或许能利用核聚变离开太阳系，寻找宇宙中的另一个家园。
星辰大海
背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。 本文应新华社之邀写作，节选版本2020年9月2日发表于《环球》杂志（https://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/vh512/share/9370817）。 责任编辑：杨娜