（通讯员  邓辉）

讲座题目：透视新科技——科学重器（1）东方超环         

主  持 人：胜  春

做客嘉宾：周志伟，清华大学核能与新能源技术研究院研究员。

                郭　亮，中国科学院力学研究所研究员。          

讲座时间：2025年4月14日～4月20日

    （备注：讲座视频可循环播放）

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透视新科技——科学重器（1）东方超环

讲座内容：

各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。在我们人类的认知当中，我们都知道天上有一个太阳，如果有人问一个太阳够吗？大多数人的答案都应该是肯定的。但是如果你问科研人员，答案却是否定的，他们会说不够。我们国家的科研人员，正在研制“人造太阳”，“人造太阳”到底有什么用呢？欢迎您走进我们今天的节目。2021年12月30日，位于安徽合肥的中科院合肥物质科学研究院诞生了一项世界纪录，我国的“人造太阳”EAST东方超环，实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，打破了之前持续运行101秒的记录，再次创造了同类型装置的世界新纪录，成为该技术走向实用化的重要一步。“人造太阳”的正式名称叫全超导托卡马克实验装置，该装置高11米，直径8米，重达400吨，在它的中央是一个由特殊材料建造的环形真空室。当该装置运行时，其核心温度达到1.6亿摄氏度，相当于太阳中心温度的10倍。为什么我国科学家要建造“人造太阳”？在运行过程中，它又会面临怎样的挑战？首先为大家介绍这位是清华大学核能与新能源技术研究院的研究员周志伟老师，接下来给大家介绍的是中国科学院力学研究所的郭亮老师。

“人造太阳”应该绝对不是我们习惯意义上宇宙当中的那个太阳，为什么还要把它叫作太阳？我们说太阳大家都知道是我们日常生活中所有能源的源头，包括我们说平时咱们用的能源，不管是电还是油或者烧的煤炭，一系列风能、潮汐能等等，如果追根溯源到它的源头上，它其实全都来自于太阳，比如说炭，它是由木材转化过来的，木材是怎么来的，其实就是由于太阳光合作用长时间的这种累积，所有的这种能源，它都是不同形式的太阳能的转化，我们的太阳其实除了给我们带来光、热等等，表面能看到的，其实最主要的贡献对于我们来说就是它的能源，所以我们就是仿照太阳的运作模式，来人为地做一个能源装置。主要是产生能源的原理是一样的，都是核聚变，所以就叫作“人造太阳”。刚才您提到一个词“核聚变”。核聚变就是两个比较轻的这种（原子）核约束在一起，它就会变成一个比较重的（原子）核，在这个过程中间，有一部分质量就损失掉了，那么在这个过程中间，就产生了大量的能量。比如说，我手里有两个橘子，这两个橘子它单独都是一个个体。我将这两个橘子，把它俩挤压在一起，变成一个更大的橘子，你可以想象成类似于橡皮泥一样的，这两个橘子都有点像橡皮泥。我当把它俩靠得很近，经过撞击或者经过一系列的这种外部条件，比如加热、加温等等，它俩“啪”就合在一起。合叫聚，那变呢？

那么变的时候就是在挤压的过程中，你可以想象两个橘子，它里边都有水。挤的时候，可能有一些水就跑掉了，就进出去了。那么，进出去的时候，除了质量减少了之外，同时它还会放出大量的能量。那为什么这个核聚变在太阳上产生呢？这个产生的现象普遍吗？应该说很普遍，我们晚上看见的星星就是恒星，大部分的恒星都是利用这个原理。通过核聚变来产生能量发光发热，我们所以能看见这些星星。太阳算是比较小的一个恒星，大多数的恒星都比太阳大。我们是不是可以这样理解，很多恒星都是在不停地产生的核聚变，只是太阳对于我们人类来讲更熟悉一些。对。太阳已经在宇宙中存在了约50亿年，它的主要成分是氢，含量超过70%。太阳每时每刻都在发光发热，它每秒钟散发出来的热量，相当于1亿亿吨煤炭完全燃烧产生的能量，成为整个太阳系的能量来源，而这巨大的能量，却并不是源于燃烧。而是来自于太阳核心，在那里有一个天然核聚变反应堆，核聚变就是利用原子核聚变反应产生能量。在太阳的核心温度高达1500万摄氏度，而核心处的超高密度使得那里的氢原子核粘到了一起，从而发生聚变反应生成氦原子核。同时释放出巨大的能量，发出以可见光为主的电磁辐射，辐射到四面八方。宇宙从大爆炸那一刻起，核聚变这一自然规律就一直存在着。宇宙中遍布着类似太阳这样的天体，我们称它们为恒星，肉眼可见的恒星就有数千颗，它们组成了星光璀璨的夜空，根据目前太阳聚变的速度，它还能继续燃烧50亿年。

我们已经有一个太阳，似乎我们认为已经足够了，为什么还要造太阳？造了太阳究竟有什么用？太阳它一直在发生核聚变反应，它这些核聚变反应的能量真正辐射出来是向四面八方的，我们地球离得很远，我们拿到的整个地球拿到的太阳的辐射能，相当于太阳自身的二十二亿分之一，也就是说非常小的一个量，那么它的能量我们很难拿过来为我们所用。但是我们如果按照太阳的这种原理，来做一个类似于太阳这种发生原理的这样一个能源（装置），那么可能我们今后的能源问题，好多社会问题甚至都可以能以它来解决掉。如果我们这个装置成功了，我们就可以引起一系列的能源革命，比如说我们可以不用煤，那么我们就可以去掉很多污染、雾霾等等。刚才提到的核聚变，我们一谈到核的时候，很多人都会担心，刚才周先生为什么说到这个是没有污染的？

我们经常说核裂变，就是咱们现在经常听到的这种核弹、核反应堆，它主要的方式是让它整个里边的原子核是通过裂变的方式。那么这个时候裂变也会产生能量，而且能量也不低，但它带来的一个致命的问题就是核污染、核废料，这个大家不用多说，大家都有过一定的了解，包括之前出现的一些核电站的这些泄漏等等。但我们现在提到核聚变，它其实一般来说是两个氢原子，它俩结合之后变成氦原子，然后释放能量，那么氢和氦这两种东西其实都是日常生活中的清洁无害的能源。在这个过程中，它释放的能量还非常巨大，那么通过这种方式释放完了之后，我们只得到了氦元素，也就经常咱们听到的这种氦气，它是不会对生物或者环境造成污染的，而且它的能量密度又高，我们拿它来进行能源的制作，是要比核裂变要清洁得多得多得多，而且没有为（对）子孙后代这种危害的可能性。你看我们一直在说“人造太阳”，那我们来制造“人造太阳”所使用的原材料来自哪里呢？最容易实现核聚变的两种材料，一种是氚，一种是氘，那么这个都是氢同位素，氚要通过锂来制造，氘通过海水里边提取，很简单很便宜地就可以提取到氘。海水量很大，资源很丰富，所以人类可以用核能，可以用上数亿年，甚至于有些人计算可以用到几十亿年，所以跟地球的年龄是差不多的。在这种情况下，我们就可以说我们的能源是取之不尽，用之不绝（竭）的。那我们可以理解成它是对于传统能源的这种优势吗？对。除了这个优势，还有哪些方面？还有一个优势就是它能量大，能量密度大，这是一个最大的优势。

目前科学家进行核聚变研究，最常用的元素就是氢。氢是一个家族，家族成员分别是老大氕、老二氘和老三氚，它们统称为氢的同位素。科学家们发现，让氘和氚发生聚变最为容易。每升海水中就可以提取出0.03克的核聚变反应材料氘，看似微量，可它却蕴藏着巨大的能量。在发生完全核聚变反应后所释放出的能量，相当于燃烧300升汽油所产生的能量，地球上的海洋面积约占全球面积的70%。据估算，海水中共有超过45万亿吨氘，而对于核聚变的原材料，除了丰富的海水资源，人们还将目光投向了月球。在月球上存在大量的氦－3，同样可以作为核聚变原料。据估测，月球上的氦－3足够支撑全人类使用数万年。核聚变凭借巨大的资源量，超高的能量密度以及清洁性，使它成为最终解决人类社会能源的途径之一。说到这儿，我相信很多观众都能够想起电影《钢铁侠》当中，方舟反应堆，这是不是未来的我们的科学世界当中，会有不同的小的核反应堆，然后这些随时随地给我们传递能量，可以这样理解吗？其实我认为还真的可以这样理解，咱们看科幻电影或者科幻小说，它其实也是基于现有的这种科学的发展，它来往前多走了几步，然后来预测未来是怎么样为我们服务的。我们说到刚才你提到这个方舟反应堆，它可能就是一小块戴在胸前，它最主要的核心还是能源的能量，那么它到底相当于多大一块能量？

我们举个例子，比如说1公斤的重水加上锂，如果是一个发电站的话，它能够提供1万千瓦的这样一个发电站。如果咱拿煤来算，想发这么多电的话，煤需要大概1万吨，所以你只需要1公斤的重水和锂电池，你就可以当一个小型的发电站了。你想想钢铁侠这种什么方舟，或者是今后你弄一个堡垒，它里边只要有一个小型的核聚变反应堆，那么它就可以源源不断地提供能量，那么这个能量如果后期用好了的话，它既可以用来做攻击，还可以用来做防御，甚至可以为我们人类造福，那么，生活中的方方面面都可以用它作为能源的来源了。这么好的能源把我们说得眼前充满了希望，但为什么我们一直都没有用上？这个问题是一个很好的问题，但是也是很复杂的问题，自从原子能发现有了氢弹，有了原子弹以后，要把工业从军用的核工业转到民用工业，那么在这个时候，世界上就提出了一个和平利用原子能的口号，在核能的发展过程中间，发展了很多核裂变的技术，但是核聚变的技术呢，始终没有发展起来，为什么没有发展起来呢？就是因为地球上要约束，高密度高温度的等离子体很难，所以一直都没有成功，直到现在为止，现在进行的托克马克的装置的研究，还有其他的聚变的研究，它都是因为最后没有约束到那么高的温度和密度，等离子体的温度和密度没有约束到那么高，它就不会燃烧，就是氢和氢不会聚变，所以始终没有达到聚变。所以无法达到现实当中的应用？对，对，对。

1954年世界上第一颗氢弹爆炸，产生了巨大的能量，震惊世界。从此核聚变就受到了全球科学家的高度重视，他们希望可以有效控制氢弹爆炸的过程，让能量持续稳定地输出。然而目前人类距离实现可控核聚变还有很长的路要走，难就难在可控二字。太阳之所以可以持续进行稳定核聚变，是因为它的核心温度高达1500万摄氏度，而且具有非常高的密度，强大的引力可以束缚住向外扩散的高温和高压，形成了一个奇妙的平衡点，使得内部核聚变反应持续进行，而地球上无法达到如此高的压力，人类只能在高温上下功夫，需要把装置中的原料温度提高到上亿摄氏度，以等离子态高速运行，以延长可控核聚变的时间。究竟什么是等离子态？人类又该如何去控制它？我们说等离子态它其实是我们经常叫物质的第四态，除了正常我们说的液态、固态、气态，还有一个等离子态，它其实是什么样一个状态呢？我们说在微观粒子的层次来说，当把物体加热了之后，那么物体一般来说，它的微观结构都是由原子核、电子来构成的，在等离子态这种状态下，物质的原子就开始分开了，原子核和电子就不在一起了。

正常情况下，我们说电子是在原子核外边，是这种高速运行的，那么当你加热加热加热，它最后会把原子从原子核和电子都给你剥开了。举例子说，相当于炖鱼。咱们在家里边炖鱼的时候，当你这个热量在持续不停地炖，你会发现鱼皮和鱼肉就分开了。如果你再加热，可能这个鱼肉就飞了。我们会发现锅盖上都会有那种小颗粒，其实就是鱼，我们叫炖飞了，飞了这种其实就是当你温度特别高的时候，粒子可能也会被“炖飞”，它的原子核和电子束缚不住了，电子就跑掉了。这个时候呈现出来的状态，类似于我们日常生活中咱们看到的这些打雷、闪电，包括有一些荧光灯发光的时候，其实都是等离子态这种形式。那我们现在经常用等离子体高温的情况下，来切割一些坚硬的物体等等。其实都是用了它这种热的熔融的现象，在这种现象的情况下，我怎么样进行核聚变呢？那么你想象两个带正电的原子核，它们之间如果想靠拢的话，电子已经都剥离开了，它们由于是同性相斥的，所以会有一个斥力，就跟咱们磁铁一样，它俩是互相有抵抗力的，我不愿意合在一起，你凭什么让我合在一起。那怎么办？我要克服掉这个力，第一种方式我们就加温，加温相当于什么，让它们高速地热运动。热运动之后，大家就跑得快了，那就容易发生“交通事故”，就撞在一起了，这个时候就有可能发生核聚变。还有一种方式，就我给你弄个狭小的空间，我压你使劲用力，就高压锅，我使劲用高压锅去压你，本来它俩还有抵斥的力，但是我给你压在一起了，它俩就核聚变了，释放出我们说的核聚变的能量，这就是为什么在等离子态的时候，它们才有可能进行聚变反应。

我们理解上千（摄氏）度，几千（摄氏）度就可以把钢铁熔化，上亿（摄氏）度我们在想，人类现有的什么容器可以能够装得了、盛得了？什么容器都承受不了，所以就是托卡马克的这种磁约束核聚变，它就是用一个强磁场把等离子体约束在一个磁笼子里边，有一个环形的磁笼子里边，就让它在里边转，非常中间的那一块是一个高密度高温的等离子体，而周围的等离子体逐渐它形成一个（温度）梯度，下降到我们人类的材料可以接受的程度。这就是我们经常说托卡马克，它其实就是一个环状的，有点类似于我们说面包圈、甜甜圈、多纳圈，整个的火把全在多纳圈里边转。外边给它加一个磁场，给它举起来，隔空举起来，里边的火就在里边一圈一圈地燃烧。这样就不与我们人类现有的耐火材料直接发生关系，就可以控制住它了。我们国家的“人造太阳”的运行时间已经实现了1000秒的突破，这1000秒的突破意味着什么？

按照人类设计的托卡马克的装置会有一定的概率发生核聚变，就是为了达到核聚变，所以它要求约束的时间是越长，这是一个很重要的标志。在国际水平上是一个什么样的水平？目前中国可能就是世界上最好的。已经是最好的了。它约束的（时间）越长，你就在里边碰一下、碰一下，总会是碰见的概率会增加。20世纪50年代，科学家首先建成托卡马克装置。1990年，我国开始建设自己的托卡马克装置，“合肥超环”成为世界上第四个同类型装置。在进行大量相关实验后，中国科学家提出了改进超导体布置方式，从而实现用电更少，磁场产生时间更长的目标。2006年，中科院合肥物质科学研究院自主设计建成了世界首个具有非圆截面的全超导托卡马克称为“东方超环”，并于当年一次性点火成功。2017年7月，中国的人造太阳在世界上首次实现5000万摄氏度持续放电，101.2秒的持续运行，实现了从60秒到百秒量级的跨越，创造了可控核聚变的世界纪录。2018年11月，人造太阳中心温度首次达到1亿摄氏度。2020年4月，人造太阳将1亿摄氏度维持了近10秒钟。2021年5月，将温度记录从1亿摄氏度提高到1.2亿摄氏度，运行时间从20秒延长到101秒。2021年12月，将温度提高到1.6亿摄氏度，运行时间延长到了1056秒，在世界范围内遥遥领先，从跟跑到并跑再到领跑，位于合肥市西郊的科学岛已然成为世界聚变舞台的中心。那么，经过科学家们的不断探索，“人造太阳”何时能投入实用呢？

既然我们说到了“人造太阳”，这项工程给我们带来那么好的能源，我们什么时候能用上“人造太阳”？这个问题也是核聚变界所关心的问题，从现在的发展情况来看，我们现在国际上已经在做一个国际热核聚变堆计划，那个装置呢，它的目的也就是验证核聚变的工程可行性，如果这个装置成功了，到2050年左右，人类可以用上核聚变。如果说ITER（国际热核聚变堆）项目没有按照预期的目标实现，或者说又发现了一种更大的限制，那么核聚变的路程可能还要更长，那么我们在这种情况下有可能要考虑结合了聚变和裂变混合的这种反应堆，就是用少部分聚变能，然后来驱动更大一部分裂变能，形成一个聚变裂变混合堆。但是这个堆的形状还是很像“托卡马克”。但是，它在包层里边产生的有一部分是裂变能，只是做聚变裂变混合堆的话，可能到2045年就能实现。有一天真的“人造太阳”在我们生活当中应用起来，那个时候给我们的生活带来的改变会是什么？这个畅想你说我们以后要坐着人造飞船，要出太阳系或者是到远太空去，比如说木星这些去旅游，相当于我们现在的火箭，如果要到木星去的话，可能都要很多年。你要是要那么几十年的话，我估计人类是等不起的，如果是我们的核聚变的这种火箭的话，它可以持续地提供推力，它瞄准一个方向持续推，它就可以到，所以很短的时间它就可以到那个地方。所以郭亮你有没有感觉到他的畅想，就是我要到其他的星球去。郭亮，作为你来讲，你来畅想一下未来我们真的“人造太阳”，应用到我们生活当中，那个时候我们身边周边离我们最近的真实的改变会是什么？

这个也是我们的设想，我们说所有的从古至今，大家争夺的其实主要还是以能源为主。能源是一个非常重要的一个争夺资源的领域。当我们的可控核聚变实现了，甚至都在生活中进入到我们的生活了的时候，你会发现基本上按照我目前的畅想，能源已经不再是问题了，我们根本不需要石油，也不需要煤，只需要海水就可以了。那么这个时候能源是最便宜、最低廉的，类似于我们的空气一样，它会源源不断地随时为我们所用，那么各大国家之间也就不用再靠争夺能源和资源来进行交换，或者是战争都不会再有了。那么，人们使用能源就是随心所欲，什么东西想开就开，也从来不用关，我们现在坐飞机，你是靠的是航空煤油进行反推，那么到时候可能靠核聚变，这个时候核聚变夸张一点，如果真是星际之间旅行一直加速，就有可能接近光速，那么它的速度就是完全我们无法想象的。你想从我们最开始骑自行车到有汽车，再到有高铁，咱们的整个的所谓的地球村的概念。就已经非常夸张了，那么到核聚变的出来了之后，可能就不再是地球村了，可能就是地球隔壁了。就你想去美国，可能就是一开门就到了，这样一个夸张的程度，所以这个时候你会发现所有生活中的东西都会发生变化，那我们人类只能说更高效、更快捷、更好地为我们服务。感谢各位收看我们今天的《透视新科技》，我是胜春，咱们下期节目再见。