受控核聚变让人造太阳点亮能源梦想

1、受控核聚变：让“人造太阳”点亮能源梦想接【管全梅老师的中国动车演讲】后【开场】自我介绍：大家好，我是钟武律，来自中核集团核工业西南物理研究院，从事磁约束核聚变研究工作。前面几位老师，讲的东西都很大，我想要说的东西，温度特别高。有多高？要超过1亿度。 俗话说万物生长靠太阳，太阳持续地给地球输送光和热，太阳的核心温度大概1500-2000万度，这个温度是什么概念？地球上的一般金属材料，在1000多度的时候就会被熔化。可以想象，1亿度，这个温度已经超过了太阳核心温度5-6倍，地球上的任何材料在它面前会瞬间熔化消失。而我们现在做的工作，就是要做地球上建造一台装置，让它能够承受1亿度甚至2亿度

2、的高温。为什么要建这样一台装置呢？这是为了通过核聚变反应持续稳定地输出能量，解决未来能源问题，从而造福人类。核聚变产生能量与太阳发光发热的原理相似，因此，以探索聚变清洁能源为目的的装置，大家给了它“人造太阳”的美名。 （配图中国环流器二号A装置）比如，这个装置，中国环流器二号A装置，就在我工作的地方，核工业西南物理研究院，实验期间，我天天和它打交道。我们就是用它来开展核聚变实验研究，从图片上看，这个装置由成千上万个零部件组成，非常复杂。  有人说，那你们要在地球上造一个太阳啊，这话还真有几分道理，因为它的基本原理确实和太阳的原理是一样的。太阳之所以能够持续地发光发热，是因为

3、它时时刻刻在发生核聚变反应。简单来说，核聚变就是两个质量比较轻的原子核聚合形成一个重的原子核的反应过程，它和核裂变的过程是相反的。原子核总质量减小，核反应可释放出大量能量！这个反应放出的能量有多少呢，恩，可以用这个著名的质能方程所描述。正所谓大道至简，爱因斯坦就用这个我们现在看来非常简单的一个公式就描述了质量和能量的关系。（配图：质能方程，爱因斯坦吐舌头）  【核聚变的大致原理】要实现聚变反应，在地球上最容易的方式是利用氢的同位素氘和氚，使它们聚合在一起，发生反应，释放能量，从公式来看非常简单，但真正实现起来，其实异常困难。 想利用核聚变能，就要让核聚变变得可控。

4、这个条件非常苛刻，首先要使燃料变成高温的等离子体，并且要求等离子体的温度超过1亿度，还要让它的密度要足够的高，这样它们相互碰撞发生聚变反应的概率就高，并且在有限的空间里使得约束的时间足够长。什么样的东西可以约束它呢？世界上任何的材料都无法把这1亿度的高温的等离子体给包裹住。【磁约束核聚变】但是，聪明的科学家们想到了一个办法，就是利用强磁场的方式，把带电粒子约束住，做成一个环形的磁容器，就可以让这些等离子体乖乖地在装置里盘旋，把高温的等离子体悬浮起来，而不会碰到装置内壁（可用动图示例）。这样的装置就是托卡马克装置，实际装置还由很多外部线圈和辅助系统组成。中国环流器二号A装置就是利用这种原理和结构

5、。【配图中国环流器二号A装置及辅助系统 】我记得我上完研究生基础课回所里报到的第一天，我们主任就给我们说了一句话“托卡马克等离子体物理啊，没有5年入不了门”，我当时很不解。回来后就参加了我们2A的物理实验，一到控制大厅，就被大屏幕上形态各异的一大堆曲线给镇住了。【配2A控制大厅图】慢慢地我渐渐明白，这大道至简的背后，是对每一项技术逼近极限的挑战，核聚变研究是一个多学科高度交叉融合的领域，是一项复杂而庞大的系统工程。需要团队齐心协力形成合力攻克每一项科学和技术问题。【高约束模示意图，动画】我回所里的时候正赶上2A团队正重点攻关一项关键技术，那就是实现高约束模式运行。我们把约束的等离子体比作成一个

6、沙堆，我们要实现聚变，就要把这个沙堆堆得足够高。在沙堆底面积不变的前提下，如何才能进一步把沙堆堆得更高呢？那就是用一块木板把周边围起来，挡住垮下来的沙子。其实，我们要实现高约束模运行，就是要让等离子体在边缘形成梯度很陡的垒，这样可以进一步提高它的温度和密度。然而看似简单的物理图像，我们2A团队花了很多年来攻关，我们的老师和专家们通过查阅大量资料，夜以继日地开展研究和讨论，不断优化，不断攻克一个一个关键问题，通过一万多次的实验，终于在2009年在国内首次实现了高约束模运行，是中国聚变研究的里程碑事件，看这张照片，我们当时还第一次开香槟庆祝，大家沉浸在成功的喜悦之中。自从实现高约束模以后，我们就有

7、了一个全新的实验平台，可以开展与ITER相关的物理实验，与国际同行同台竞技，在这个平台下开展的实验都是前沿性的，我们也取得了一批国际领先的实验成果。过去，我们请国外的顶级科学家来做实验，请都请不来的，现在，很多外国同行主动联系我们，想来我们装置做实验，【优秀示范性国家级国际合作基地】，从过去的请不来，到今天的组团来，这样的变化，靠的是实力。我们有了越来越多的底气。在国际聚变舞台上，中国，已经拥有了绝对的话语权。我硕士毕业后以访问学者的身份去了法国，在法国原子能委员会聚变所继续开展聚变等离子体物理研究。等离子体被磁场约束住后也会不老实，它时不时会自己形成一些不稳定性，使得约束性能变差，这种现象我

8、们在2A上面有观察到，但是不知道为什么，带着这个问题，我和法国的导师就利用法国的托卡马克装置上的数据进行了深入研究，但是物理机制的理解还需要结合理论模拟，那个时候我导师联系了一位理论模拟的法国专家帮我，可是她很忙，几个月都没进展，我导师就说你找她去学程序自己动手做模拟吧，后来我找了她，她也热心地指导了我，终于通过2年多的实验和理论模拟研究，我们终于找到了答案，这个结果很快被物理学国际顶级学术期刊物理评论快报接收发表，我怀着激动的心情大半夜打电话给我法国导师分享这份喜悦，那一年刚好是我接触聚变的第五年，我心想，这算入门了吗，这聚变等离子体门槛真不低啊。【介绍ITER项目以及中国参与的部分】确实，

9、受控核聚变研究非常困难。原子弹爆炸成功后，只用了不到10年的时候就实现了和平利用，建成了核电站。科学家就想，氢弹成功后也用不了多长时间就能实现和平利用。然而，后来大家都意识到受控核聚变可难多了，需要全世界核聚变领域的科学家共同努力来完成。因此就有了国际热核聚变实验堆（ITER）计划，它于2006年正式启动。是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，由欧盟、中国、美国、俄罗斯、韩国、日本和印度参与，在美丽的普罗旺斯地区建造一个世界上最大的托卡马克装置。中国承担了ITER计划约9%的研发任务，在ITER采购包研发制造过程中，取得了重大突破，解决了一系列聚变工程关键技术。比如核工业西南物

10、理研究院研发的第一壁采购包半原型部件在2016年成功通过高热负荷测试，在世界范围内率先通过认证，这一消息让圈内人振奋。这是ITER 交给中方团队的一份高难度作业第一壁是ITER 装置的核心部件，直接面对上亿摄氏度的等离子体。世界上拥有这种材料的高纯度提取和制造工艺技术的国家中，美国处于技术垄断地位。 “大部分时候，是有钱都买不到的。”为此，我们院的科研团队进行了长达十年的特殊材料研制工作。该自主研制的材料问世后，将美国垄断价格降低了90%。让中国落后于美国20年的技术，一跃从“跟跑”实现了“领跑”。参与ITER计划十多年来，我国在材料科学、超导技术、精密加工等相关领域的研发能力和技术水平取得长

11、足进步。目前我们中国的执行进度和完成情况都走在了七方之首。在科学研究方面，我们也取得了一系列国际先进的科研成果。可以看出，中国聚变研究正走向国际前列。 【科幻电影截图】核聚变是很多科幻大片中的常客。今年春节的时候，流浪地球热映，有朋友问我，这个行星发动机是不是就是你们研究的那个东西？复联4上映的时候，又有朋友问我，钢铁侠胸前那个方舟反应堆是不是就是你们研究的东西。这俩东西不完全一样，烧石头用的行星发动机是重核聚变，如果真的带着地球去流浪，可能还没到目的地，地球就被烧光了。【核聚变能是人类最理想的能源 】我们研究的核聚变就不一样，氢的同位素氘和氚更容易发生聚变反应，氘可以从海水中提取，一升海水中的氘发生聚变反应释放的能量相当于燃烧300升汽油，目前估计海水中的氘可以供人类使用上百亿年，太阳的寿命也就1百亿年左右，所以从这个时间尺度来看，聚变燃料可谓取之不尽用之不竭。此外，聚变堆固有安全，任何故障都会使反应停止，它是一种清洁能源，聚变反应不释放温室气体，不产生长寿命放射性产物。所以，通常说核聚变能是未来能源，我们实现以后将彻底解决人类的能源问题，环境问题，电价问题，社会问题都将不成为问题，那时候的生活将是多么美好。  【期待早日实现核聚变