陈逸航：可控核聚变 照亮未来的中国“太阳”

专题：2024年CC讲坛

　　由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第63期演讲2024年12月14日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。来自中核集团核工业西南物理研究院副研究员陈逸航出席，并以《可控核聚变 照亮未来的中国“太阳”》为题发表演讲。

　　以下为演讲实录：

　　我是来自中核集团核工业西南物理研究院的陈逸航，我昨天刚刚从我们的实验一线下来，今天我给大家带来分享的题目是《可控核聚，变照亮未来的中国太阳》。

　　人类的早期，在我们祖先刚从森林里出来的时候，没有火，在黑暗里面忍受黑暗和寒冷，我们人类是什么时候从愚昧走向文明，什么时候摆脱了夜晚的这些黑暗和寒冷的威胁呢？是我们有了火，火是人类从蒙昧走向文明的一个标志。

　　人类把火种一代一代的传了下去，我们从原始社会进入了奴隶社会，进入了封建社会，后来人类就掌握了一些更高效的更先进的利用火的方法，比如说19世纪的时候，工业革命的发展，让我们人类步入工业时代。

　　所以说我们经常听一个说法叫能源是现代社会的基石，实际上通俗一点，“烧火”才是现代社会的基石。既然烧火是现代社会的基石，这火烧得旺不旺就决定了我们发展的好不好。所以说一切恐惧都源于火力不足，是因为地球上我们人类用来烧火的这些燃料，或者说原料，它的储量不太够了。

　　比如说石油，现有探明储量只能用40年，煤炭储量稍微丰富一点，但是据研判也只能用200年。

　　所以难道化石能源用完了以后，我们就不能烧火了，我们就只能退回到茹毛饮血的时代了吗？当然是不能的，人类的科学家们要运用智慧去摆脱困境，所以为了解决火力不足的问题，我们提出这个火力优势学说，什么叫火力优势学说？就是我们要更多的火，我们要更多的火来点亮我们人类的文明，但是上哪去找更多的火，我们怎么去搞更多的火？

　　《淮南子》里面说“火气之精者为日”，我们抬头仰望天空的时候，就发现一个熊熊燃烧的大火球挂在天上，这玩意儿怎么样？看起来不错，如果我们能把这个里面的火种像普罗米修斯那样带到地球上来给我们人类使用，我们的火就烧不完了，我们就再也不存在所谓的能源短缺的问题了。

　　所以这个就是我们人造太阳研究，也是可控核聚变研究的一个发源。那么为了把太阳的火种带到地球上来，我们就首先要破解“太阳为什么能烧”这么一个奥秘。

　　太阳为什么能烧？是因为它上面的能量是来自核聚变反应的，什么叫核聚变？核聚变通俗来讲就是说轻的原子核通过融合，聚集成重原子核这么一个过程，在这个过程中，会损失掉一小部分的质量，根据爱因斯坦的质能方程，我们可以发现损失掉的质量转化成能量，所以这是可控核聚变巨大能量的一个来源。

　　我们可以做一个简单的估算，对于我们常见的一种核聚变反应，重氢和超重氢，也就是我们常说的氘氚，聚变成一个氦和一个中子的反应，这一公斤的聚变燃料完全发生反应以后，释放的能量相当于7300吨的汽油，所以核聚变的能量是非常巨大的，我们一旦能够把这个核聚变的能量拿到地球上来给人类用，就是实现了人造太阳，人类毫不夸张的说，就拥有了取之不尽，用之不竭的能源。

　　但是理想很美好，现实很骨感，核聚变的能量固然是非常的大，看起来火力也非常的足够，但是开发核聚变能是一项非常艰巨的挑战。

　　为什么？核聚变是要把两个氢原子核融合到一块，但是这两个原子核，你把它接近的时候，它不会乖乖听你话，不是你想让它靠近就靠近了。因为原子核都是带正电的，我们知道两个相同的正电荷，它是有库伦斥力的，正常的原子核的间距，大概是0.1纳米左右，0.1纳米间距上库伦斥力还不是很明显，但是库伦力它是随距离的接近而成平方反比增大了。

　　所以当有效核聚变的距离要到0.01纳米，库伦斥力就大了，得有100亿倍。想把原子核压缩到这么近的间距，让它发生核反应，这个是非常困难的。

　　非常困难怎么办？非常困难，太阳上它还是发生核聚变反应，所以人类想到要解决这个问题，就要从太阳上面取经，对不对？

　　我们从太阳得到了启发，人类发明了一种技术路线叫做热核聚变。请大家关注这个名词，这个是我们现在所有人造太阳技术的一个核心。

　　什么叫热核聚变？就是说物质的温度提高以后，随着物质温度的提高，它构成物质的里面的分子原子热运动的速度就会不断的加快，然后你把它加热到上千万度、上亿度的时候，热运动速度就足以克服库伦斥力，让原子核接近到足够近的距离，然后发生核反应。

　　这个是目前我们人类利用核聚变的一个最基本的技术途径。

　　热核聚变人类早就实现了，但是不能用核聚变来发电，这个关键的秘密在哪？关键就在于“受控”这两个字，怎么让核聚变受控是一个世界级的大难题。

　　为什么核聚变受控很困难？刚才我们提到了随着物质加热再加热，它物质里面的原子的热运动就会越来越快，原子里面的离子、原子核和电子会发生一个解离，到大概几万度的时候，气体分子里面的比如说氧分子，它就会解离成氧原子，然后再解离成氧的原子核和自由电子，你再进一步加热到几十万度、几百万度，然后离子跟电子它就真自由了，就变成了一种不是气体，但是胜似气体的状态，这个状态我们管它叫等离子体，等离子体状态。

　　这个等离子体是什么意思？就是里边正负电荷数量大致是相等的，宏观上呈现电容性，但是这个离子体里面有电子、有离子，全是带电荷的，这个东西跟我们宏观的气体是不一样的。所以我们可控核聚变就是核聚变的里面这个物质会加热到什么样的高温？答案是上亿度。

　　所以我们发生聚变反应的物质都是超高温，温度高达上亿度，而同时里面又全都是自由的正负电荷，温度又高，又是一路火花带闪电的这么一个东西。

　　这么一个东西，你想把它控住可真是不容易。首先上亿度的东西，你就找不到一个容器能把它装起来，然后这东西还带电，怎么搞？怎么控制？这就给我们人类出了一个大难题，这个时候我们很自然的想去找我们的老师——太阳，找太阳去取经，看太阳是怎么约束。

　　太阳说我只能帮你到这儿了，为啥？因为我是靠引力约束的。我肚子大，我有这么多的质量，所以我能把这么不听话的等离子体全部压缩在肚子里，让它乖乖的发生核反应。人类犯愁了，人类没这么大肚子，地球上你把所有的物质都加起来，也没有这么多质量。

　　我们人类可以另辟蹊径。所以这个时候我们展现真正技术的时候了，下面我就来给大家介绍一下，我们人造太阳路线里面最具代表性的一条技术路线，叫做托卡马克。

　　托卡马克能够直面地狱一般的等离子体环境，那么托卡马克是怎么去承受，怎么去容纳上亿度高温，有带电的等离子体？答案是它有三项关键的技术。

　　第一项是它通过强磁场去约束带电粒子，如果我一个带电粒子运动的时候，我有一个外加磁场，这个粒子就只能绕磁力线做回旋运动，对吧？

　　所以我们人类首先想到就是加一个强磁场进去以后，等离子体里面带电粒子本来是到处乱跑的，我加一个磁场，它就只能沿着磁力线在这边乖乖的跑。这是第一个技术，但是这个技术又还是不足够的，不足够把我们的聚变等离子体完全约束住了，为啥？因为你的垂直磁力线的方向它是只能够回旋运动了，但是你在平行磁力线的方向它没有约束，它就跑掉了，对不对？所以说还是约束不了我们的聚变等离子体。

　　第二项关键技术就派上用场了，这个技术就是我们把直线型的磁场给它弯一下，然后把这个直线型的磁场变成一个首尾相接的环形。这个粒子一方面绕着磁力线做回旋运动，另一方面沿着磁力线，不管你怎么跑，你也跑不出这个环形。所以环形磁场就解决了磁力线两端损失的问题。

　　但是后来人们照这个方法真的造装置了以后，又发现这个装置还是不能把聚变的等离子体完全约束住，它就是这么不听话，光靠环形的磁场是不足以约束等离子体的。因为物理学家们发现，只有环形磁场的时候，带电粒子在磁场里面会漂移，电子会往上走，离子会往下走，然后电荷分离又会造成一个电场，电场就会把所有的带电粒子往外推，所以导致等离子体很快的就会扩散，然后撞到我们容器的壁上去，这个也是我们不希望的。

　　所以下面第三项，也是最关键的托卡马克的核心技术，我们用外部环形磁场加上一个环形的等离子体电流来构成一个复合磁场，用来约束等离子体。这边有一个关键的概念，就是等离子体电流。就是我们在一个环形容器里面，首先我们装了一坨等离子体，然后我们在这个等离子里面通过一些手段去让等离子里面有电流流起来，而且这个电流很大，它就能形成一个角向的磁场。

　　通过环形磁场和角向磁场的结合，我们就形成了一个螺旋形的磁场位型，螺旋形的磁场是托卡马克能够良好的把聚变的等离子体约束在一个环形真空室内部的关键的技术。通过这种螺旋形的磁场，真的是能够把等离子体约束在一个狭小的空间里面，像磁悬浮一样给悬起来了。这样就一方面既把等离体约束在有限的空间里面，另一方面又避免了它去接触我们的容器表面壁，解决了用什么容器来装它的问题。

　　所以实际上就是通过我们建立一个磁场的形成的笼子，把聚变的等离子给装在里边。我觉得用外部磁场和等离子电流加起来，把等离子体装住这么一个设想，是非常天才的一个设想。

　　目前我们国家拥有两台大型的托卡马克装置，一台在合肥，左边这个是叫“东方超环”EAST，名字很响亮，这个是世界首台全超导托卡马克，这个参数不是特别高，但是它运行的时间可以达到特别长，这个也是它主攻的目标，这个装置主攻的目标就是实现长时间等离子运行。

　　第二台大装置就是我来自的这台装置，叫新一代人造太阳“中国环流三号”，这台装置运行的时间不像EAST那么长，但是它可以做到更高的聚变参数。它可以把聚变等离子体加热到更高的温度，更高的密度，让它输出更高的聚变功率，这个条件是跟未来的聚变堆芯里面要更接近的，所以它可以在更接近未来聚变堆的条件下去研究一些关键的物理和工程技术问题。

　　我自己是来自中国环球三号，新一代人造太阳，普通的科研人员， 2021年加入中国环流三号的运行控制团队，目前我是人造太阳上一名光荣的驾驶员，什么叫驾驶员？

　　我们的工程师团队把人造太阳装置给设计了并且建造出来，还得有人去运行它，有人去操控它的运行，通过合理的操控，让人造太阳能够实现比较高的聚变性能，并且能够运行更长的时间。

　　我们希望能够通过我们的工作，把装置设计的参数变为现实，这个是我们工作的一个主要意义。

　　我们驾驶员团队工作里面的小故事，还得从我们驾驶员跟等离子体电流的爱恨情仇说起。

　　托卡马克是靠两部分磁场去约束等离子体的，这个螺旋磁场是托卡马克实现良好约束等离子体的一个关键。

　　我们研究发现等离子体电流越大，它强度越高，它产生的磁场的螺旋度就越高，螺旋度越高，它对等离子体的约束性能就越好。所以这个是等离子体一个很奇妙的特性。经过科学家们统计发现托卡马克装置的聚变功率输出，它正比于等离子体电流的平方，所以提升等离子体电流，对于未来我们聚变堆实现高功率运行是非常有意义的，也是我们为什么聚变堆很喜欢提“大电流”这个事儿。

　　但是凡事都有两面性，大电流也是一个双刃剑。在我们托卡马克里面有一种关键的现象叫做破裂，什么叫破裂？它是一种等离子体电流在毫秒级的时间内迅速不受控的熄灭，并且降低到0的这么一种现象。

　　等离子电流它是提供等离子约束的一个必要的条件，而这个带来的直接后果就是如果这电流没了，等离子体不就约束不住了吗？核聚变反应就没了，聚变堆就要停堆了。

　　所以这个是我们非常不希望看到的现象，我在这里又写了一个“怕”字，可能大家就要疑惑了，你不喜欢也就算了，你为什么怕它呢？

　　实际上这个破裂不是我刚才说的这么简单，它不只是一个电流熄灭的过程，它在破裂过程里面，由于等离子电流的一个急速的下降，会通过电磁感应在装置上感应出巨大的电动力，在未来的聚变堆里面，如果发生一次大破裂的话，破裂对装置造成的力可能相当于一辆坦克全速去撞击真空室。人造太阳是多精密的一个东西，一个坦克去撞这么精密的科学仪器，科学仪器受得了吗？

　　当然我们人类是不希望聚变堆用几次就坏掉了，所以对于我们未来聚变堆大电流运行的话，去防护等离子体的破裂是一个非常关键的课题，必须要全力去避免破裂。这个理想很美好，现实很骨感。我给大家展示一下，目前破裂仍然是托卡马克里面非常严峻的一个问题。在我们中国环流三号上，2023年初运行的时候，3月份我们做了65次实验，破了56次，破裂率高达86%，这个是非常严峻的一个问题，因为我们当时等离子体电流还没有很高，大概60万安培的样子。

　　即使是这种不算很高的电流，它破裂对我们装置造成的电动力也是接近我们装置能够承受的一个安全范围，所以我们中国环流三号如果再想提升等离子体电流，实现一个高参数运行的话，我们是面临着破裂的严峻挑战的。

　　当时我们看到这个问题，比较忐忑，我们的大电流运行到底何去何从。确实是挑战比较大，但是这个问题必须要解决，所以我们花了力气去攻关这个问题。我们就发现了可以通过一种被称为软着陆的方式去避免破裂。

　　我们刚才提到等离子电流在毫秒级的时间内突然掉下来，这个叫大破裂。那么我们如果把电流降下来的时间拉长，从毫秒级变成百毫秒、再变成秒，电流变化速度变慢了以后，它的破坏性效果就会大大的减弱，这个就叫软着陆。破裂就是电流突然掉下来，软着陆就是电流慢慢的往下降，实现一个平缓的着陆，这个叫软着陆技术，也是托卡马克里面一项比较重要的破裂避免技术。

　　我们怎么去实现软着陆？有两个关键要素的，一个就是要对等离子体的异常状况进行一个非常精密的监测，因为托卡马克里面的破裂，它是一个很复杂的物理现象，很多不同类型的异常状况都可能成为破裂的诱因，进而导致破裂的发生，也正是因为这个原因，所以破裂现在仍然是悬而未决的一个状态。

　　在等离子体里面，比如我们等离子体的位移失控，或者由于一些内禀的不稳定性，内部撕裂或者甚至整团等离子体像扭麻花，拧毛巾一样拧成团，或者再比如说有一些杂质进到等离子体里去了，这些各种各样不同的因素都可能导致我们发生破裂。

　　所以对这些异常状况进行精密监测，是我们去预测破裂，进而缓解破裂的一个前提。

　　在预测到破裂之后，还要对破裂还要进行一个毫秒级的精准控制，才能够实现破裂的有效避免。为什么？破裂它是一个很快的过程，是一个毫秒级的过程，如果你不能在毫秒级的时间内采取控有效的控制动作的话，破裂是根本防不住的。

　　这两个要素是我们实现有效的软着陆的一个必要的条件。

　　我们团队是怎么去实现这两种技术的。在异常状况监测方面，我们团队小伙伴们通过分工协作实现了双管齐下，什么叫双管齐下？我们首先对中国环流三号上历史的破裂数据进行统计，然后从这个里面分析去找出破裂的原因。

　　经过我们的分析，我们发现vde（垂直位移事件）和位移破裂这两种原因是破裂的主要的原因。我们在异常识别的传统算法方面，就针对这两种关键的异常去发展识别的算法，然后去有效的把这两种异常识别出来，能解决大部分的引起破裂的因素。

　　你解决了这两种，剩下的怎么办？剩下那么多种，你万一这个不是这两种，是剩下几种破了，装置也受不了。当然我们就结合我们用传统的方法，结合一个人工智能的方法去进行剩下的异常因素的识别。这个是怎么做的呢？我们托卡马克装置上有海量的实时的监测数据，我们运用神经网络的方法，把这个海量的实时监测数据输入到一个深度学习的神经网络里去，然后神经网络能够非常快速的以毫秒级的时间预测出等离子体在10毫秒到30毫秒之后是不是会发生破裂，或者说发生破裂的概率有多大，这个是非常先进的一个技术，这个技术就是我们可以通过实时诊断数据对破裂进行一个预测，作为我们执行软着陆控制的一个依据。

　　在我们监测到异常之后，我光看到没用，我这还要去控制它，我们怎么去控制软着陆呢？这个还得感谢我们中国环球三号上的工程师们，他们发明了一套强大的等离子体控制系统，这个等离子体控制系统有一个实时的控制框架。我们做的工作就是在系统的框架里面，做了一个控制流程切换的这么一个动作。首先在这个系统里面内置两套控制流程，一套是正常的等离子体控制流程，另一套是专门针对软着陆控制防护的，一旦异常的监测系统发信号说等离子体不行了，它要破了，控制系统就会自动的跳出危险区，它跳到另一个软着陆控制流程去，然后执行专门的软着陆控制动作，来控制等离子电流平稳下降，控制动作只需要一毫秒就能切换完成，完全不需要人工干预。

　　这就为我们的软着陆及时执行提供了一个非常有效的保障。

　　最后在我们有效的异常监测和有效的软着陆保护处理这两个具体技术的基础上，我们在顶层上又发展了一个统一的异常状况，分级处理机制。这个是为什么？实际上等离子体就跟我们人一样，我们人有大大小小的毛病，比如说我打个喷嚏咳嗽，这可能没什么要紧的，擦个鼻涕就好了，但是如果我嗓子疼、发烧了，我可能就得吃药，我得去医院。

　　这等离子体也是一样的，有的时候它打个喷嚏，我们不用过于担心，我们稍微给它处理一下，它就能继续恢复运行，这个没问题。有的时候比如说等离子体我们觉得它感冒了，发烧了，我们得给它停下来，然后让它恢复一下。这时候我们就给它采取软着陆这种比较有效，但是相对也比较温和的保护措施。

　　还有更严重的问题，比如说有时候等离子体跟我们一样，它不仅生病了，而且病得很重，突发疾病突然休克，再采取慢悠悠的软着陆，这就来不及了。这个时候只能通过非常规的手段，比如说我往装置里面注入大量的杂质气体，来迅速的关断等离子体，这个时候才是最有效的处理措施。

　　所以我们通过对异常事件进行统计和分类分级的处理，能够为我们的软着陆保护提供有效的依据和框架，我们在这个框架底下进行软着陆的处理，就能够更有效的去实施软着陆，让软着陆变得更加高效，让软着陆有据可依。

　　通过结合这上面提到这三种技术，我们自主研发了一套软着陆的控制技术，在中国环流三号上，目前已经是常规应用的一个技术，取得了良好的效果。

　　目前完全成功的软着陆最大的等离子电流可以达到140万安培。对于更高的等离子电流，我们目前尚不能做到完全成功的软着陆，但是也能够部分成功地执行软着陆，从而有效地降低破裂的危害。我们最大等离子电流做到了160万安培，在我们前期的基础上是得到了一个很大的提升的。

　　有人说你空口空口无凭，不能乱说话对吧？我拿数据来说话，我们在部署软着陆技术以后，在2023年的7月到8月期间，仅仅过去了半年，我们等离体的破裂概率就从86%降低到了17%，实现了断崖式的下跌，同时我们的软着陆成功率从2023年3至6月的24%迅速提高到83%，有效的守护了我们装置大电流底下的安全运行，

　　。

　　因为有了软着陆技术的保障，我们在往上提升等离子电流的时候，就不用太担心破裂的问题，所以我们的实验进度就大大的加快了。

　　在2023年我们就顺利地实现了100万安培等离子电流加上高约束模式，这种先进模式的运行。这个目标本来是我们给今年定的目标，但是我们通过软着陆技术的保证，去年就把它实现了。今年我们就实现了另一个目标，今年我们实现的参数是更高的，160万安培等离子体电流。我们回首过去也可以发现中国环流三号自建成以来参数不断提升，这个背后其实我们的团队也是做了一点微小的贡献了。

　　我介绍的这是我们团队的一个小工作，实际上这个工作只是中国环流三号大科学装置团队工作的一个缩影。实际上除了大电流和软着陆，我们装置上还有很多黑科技。比如说人造太阳，电流固然是一个基础，但是更重要的是你要把聚变燃料加热到1亿度这种温度，它才能有效的核反应。

　　我们怎么加热？我们装置上的同事和团队发展了大功率的粒子束注入技术，大家有没有想到以前科幻里面的粒子束武器？没有想到这玩意在我们人造太阳真的用起来了，这个是不是很厉害？目前我们人造中国环流三号团队，在大功率的中性粒子束注入加热技术方面是处于国内第一的状态。除了加热，你在聚变的运行里面，它聚变燃料是会不断消耗的，你还要源源不断的把燃料补充进去。我们怎么把燃料补充进去？我们的科学家也提出了一种原创的先进聚变燃料注入技术，它能够以非常高的速度把聚变燃料直接喷入到灼热的聚变堆芯里面去，从而实现一个高效的加料，能够有效的提升聚变的离子密度，这个也是我国在聚变研究方面给世界做的一个原创性贡献。

　　相关的技术已经应用到国际上十几个装置上去了。除此之外，还有很多的技术没办法一一细说，因为实在太多了。有一些也是有点那种过于先进不便展示的意思。总之就是我们装置是一个大科学装置，各个团队分别去负责装置运行的不同方面，像我们负责等离体电流和磁位形，其他团队负责加热加料以及排废热这些，通过我们的密切协同，让大装置能够良好的运转起来。

　　我是人造太阳团队里面普通平凡的一名成员，我们的团队是非常庞大，声威非常壮大的，我们人造太阳冉冉升起的背后，有我们这么一群坚强的战士在支撑它的运行，

　　展望未来，我觉得核聚变确实是一个面向未来的能源，它也是被称为人类的终极能源，这个说法确实是不过分的。

　　首先它储量是非常大的，因为核聚变的原料可以从海水里面提取，一升海水里面的核聚变燃料提取出来，如果全部用于发电，产生的能量相当于300升汽油，所以简单画个等号，一升海水等于300升汽油，这海水有多少？肯定比石油多多了，对不对？所以说它首先在地球上储量非常大，另一方面如果地球上不够用了，宇宙里面木星、土星、天王星到处都是，所以真的是一个面向未来的能源。

　　另一方面难能可贵就是，除了它储量丰富之外，核聚变能还是一个清洁能源，是因为我们现在的人类的核能，带个“核”字，它就产生一些核废料，这个核废料实际上是我们在开发核能里面不希望看到的东西，因为它不好处理，放射性周期有的又很长，现在我们国家为了处理核废料也花了很多功夫，但是聚变能它就不会存在这种产生长寿命的难以处理的核废料的问题，是没有这个问题的。

　　第三个特点就是聚变能它更是一个固有安全的特性，核聚变反应的条件非常的苛刻，你想要核聚变能够发生的话，都要很复杂的装置，很复杂的很精密的操控，才能让它这个反应起来。这个装置一旦发生异常，这等离子直接就失控了，它自动就停堆了，不可能发生聚变反应失控，或者说堆芯熔毁这些安全性的问题。

　　所以核聚变真的是在这方面有三大优势，确实我觉得是人类未来的能源。

　　我们作为中国的核聚变人，我们也是觉得心怀使命，肩头有重担，我们的愿景就是如果将来有一盏灯会被聚变能源所点亮，这盏灯必然也一定在中国。

　　我们是中国环球三号科研团队，我们的使命是：点燃蓝色海洋，成就聚变梦想，造福人类未来，谢谢。

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