【導語】2025年3月28日，中國成都的“中國環流三號”核聚變裝置首次實現了原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度的“雙億度”突破，標誌著中國在可控核聚變領域邁出了重要一步。這一成就為何如此關鍵？可控核聚變為何需要如此高溫？未來還有哪些挑戰與機遇？本期，中國科學院物理研究所研究員羅會仟將帶糖心免费视频深入了解中國可控核聚變的發展曆程與未來展望。

2025年3月28日，位於四川成都的新一代人造太陽“中國環流三號”首次實現原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度的“雙億度”目標，這意味著中國的(de)可(kě)控(kòng)核(hé)聚變向工程化應用邁出了重要的一步。

那麽，為什麽可控核聚變需要如此高的溫度？實現原子核溫度和電子溫度的“兩個億”意味著什麽？未來可控核聚變還有哪些關鍵步驟要走？

大家好！我是中國科學院物理研究所的研究員——羅會仟。這一期視頻，糖心免费视频來聊聊中國可控核聚變的發展曆程。

早在1919年，阿斯頓和盧瑟福等人就發現原子核的質量差異。比如氦-4原子核含(hán)有(yǒu)2個(gè)質(zhì)子和2個中子，可以看做是4個氫原子核或2個氘原子核的組合，但是簡單計算就會發現，氫原子核組合的質量總是多出氦原子核一點點。這意味著，如何實現氫核聚變，那麽必將釋放能量。根據愛因斯坦的質能方程，這個能量是相當可觀的。1934年到1942年，實驗上終於實現了氘-氘核聚變反應和氘-氚核聚變反應。人類在1952年製造了第一個不可控的核聚變裝置——氫彈，其威力相當於500顆廣島原子彈。

既然核聚變有如此巨大的威力，科學家們早就希望實現人工可控的核聚變，就像可控核裂變反應堆那樣持續穩定地提供能源。這種人工可控核聚變裝置，又被稱為“人造小太陽”。然而，太陽作為一個巨大的核聚變體，內核溫度達到了上千萬攝氏度，壓力達到了3000億個大氣壓，要想人造出這麽極端條件是十分困難的。

聚變堆裏的(de)高(gāo)溫(wēn)等(děng)離子體

原則上，實現核聚變的關鍵就是要高速運動的原子核盡可能地發生碰撞。氫彈借助了外殼的原子彈爆炸產生的高溫高壓環境，從而使氘氚核發生聚變。實現人工可控核聚變的首要任務是盡可能地提高原子核的能量，也就是它們的溫度；盡可能地提高等離子的密度，也就是單位體積裏氘氚核的數量；盡可能地延長穩定約束高溫等離子的時間，也就是讓聚變有足夠的機會發生。所以溫度、密度和時間構成了“聚變三乘積”，必須達到一個極高的臨界值，也就是2.59 X 10 21m-3s keV。這是什麽概念？比如等離子體溫度是1.6 億度，約束時間為1秒，那麽需要聚變堆內部的氣壓達到8.3個標準大氣壓。如果約束時間達到了1000秒，那麽需要的氣壓可以降低到0.08個大氣壓，需要的燃料數量也大大降低。但要達到這一點非常困難，因為容器壁必須能抗住極強的核輻射且盡可能避免輻射泄漏。而麵對極端高溫的等離子，還要借助極低溫度的超導磁體（大約處於-269℃的液氦環境）來“強約束”它們，盡可能保持在真空環境中不與容器壁直接接觸。最後是要製造出1.6億度以上的氘氚燃料，也就是達到“點火”的溫區。

中國環流三號核聚變裝置

上世紀60年代，中國就已經布局了核聚變的相關研究。如今的“核工業西南物理研究院”前身為代號“585所”，位於四川樂山肖壩，悄然在70年代就開始了可控核聚變的探索。1972年，中國環流器一號HL-1批準建設，到1984年9月21日建成運行。1994年，HL-1改造成中國環流器新一號（HL-1M），增加了主動反饋控製。2001年，核工業西南物理研究院整體搬遷到成都。2020年12月4日，中國環流器二號M裝置（HL-2M）建成並實現首次放電。2023年8月，“中國環流三號”成功實現100萬安培等離子體電流下的高約束運行模式。2025年3月28日， “中國環流三號”首次實現原子核和電子溫度均突破一億度，實現了核聚變綜合參數的大幅躍升。邁過這個“雙億度”的門檻，標誌著我國聚變裝備具備了聚變燃燒相關的高參數運行能力。

為什麽說隻是具備了聚變燃燒的能力呢？這是因為目前我國的核聚(jù)變裝置並沒有加裝氘氚燃料，而是使用氫燃料進行的前期實驗。通常來說，核聚變路線有非常清晰的6個階段：1是原理的探索，2是規模實驗的參數積累，3是開展燃燒實驗並真正實現聚變反應，4是建造實驗堆，5是建造可複製的示範堆，6才是建造可批量化的商用堆。無論是國內還是國外，目前均處於從2到3階段的過渡(dù)，即(jí)基(jī)本上摸清楚了核聚變的參數，各項指標已經逼近“聚變三乘積”，但尚未開展真正的聚變燃燒實驗。國際熱核聚變堆（ITER）和中國聚變工程實驗堆(CFETR)都是以聚變燃燒實驗為核心目標的大科學裝置。

近年來，我國的“東方超環”（EAST）實現了1億度從100秒到400秒再到1000秒的穩定運行，到2025年1月20日，更是創下了1億度1066秒新紀錄。不過EAST的一億度隻是“電子溫度”，電子質量是氫原子核（也就是質子）的1/1836，一億度的目標相對要更容易一些。同步實現原子核溫度和電子溫度都突破一億度，才意味著可以進入聚變燃燒實驗階段。原則上，隻要加注氘氚燃料，在這個條件下，核聚變就有可能持續發生。不過，氘和氚原子核要比氫原子核重，達(dá)到(dào)一億度的高溫並且約束住1000秒以上，仍然具有相當大的挑戰。

未來，要想實現商業化的可控核聚變堆，仍然需要進一步提升現有聚變實驗堆的性能指標，實現更大電流、更高溫度和更長時(shí)間(jiān)的(de)穩(wěn)定運行。讓糖心免费视频一起期待，有朝一日，中國核聚變在東方點亮糖心免费视频“人造太陽”！

本文為·創作培育計劃扶持作品

作者：羅會仟

審核：張雙南 中國科學院高能物理研(yán)究(jiū)所(suǒ) 研(yán)究(jiū)員(yuán)

出(chū)品(pǐn)：中(zhōng)國(guó)科(kē)協(xié)科(kē)普(pǔ)部(bù)

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