衝出太陽系的第一步 | 袁嵐峰

導讀

早在1962年，錢學森就在《星際航行概論》裡指出，衝出太陽系、飛向其他恆星的火箭能源，只能是核聚變。

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西瓜視頻：

https://www.ixigua.com/6870414448360686088

1929年的一天晚上，德國物理學家弗裡茨·豪特曼斯和一位漂亮的姑娘散步。女孩說：「天上的星星好美呀！」豪特曼斯說：「是的，然而現在我是世上唯一知道它們為什麼閃爍的人。」女友笑笑，沒說話。科學家的浪漫，真是令人憂傷……

古人對太陽充滿崇拜之情，但誰也不知道太陽發光發熱的根源是什麼。直到二十世紀二三十年代，亞瑟·愛丁頓、羅伯特·阿特金森、豪特曼斯和漢斯·貝特等幾位物理學家，發現太陽的能量來自核聚變。

愛因斯坦和愛丁頓

漢斯·貝特

2020年7月28日，國際熱核聚變實驗堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，簡稱ITER）計劃的託卡馬克（Tokamak）裝置安裝工程啟動儀式在法國南部的聖保羅-萊迪朗斯鎮舉行。

7月28日，ITER計劃的託卡馬克裝置安裝工程啟動儀式在法國南部聖保羅-萊迪朗斯鎮舉行

ITER計劃由中國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方共同實施，是全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。看這個陣容就知道，它承載著地球村全村的希望。

ITER計劃歷史

ITER旨在全面驗證聚變能源開發利用的科學可行性和工程可行性，是人類可控熱核聚變研究走向實用的關鍵一步，對於從根本上解決人類共同面臨的能源問題、環境問題和社會可持續發展問題具有重大意義。從更長遠的角度看，可控核聚變關係到人類是否能實現星際航行、逃離被太陽吞噬的命運。

值得一提的是，ITER的第一個重大部件安裝，就是由中國主導的（科技日報：ITER又有新進展 地球上種的「太陽」已「發芽」）。這項安裝工作是杜瓦下部筒體的吊裝，所謂杜瓦就是保持低溫的裝置。承擔這項工作的，是由中方牽頭的中法聯合團隊，包括中國科學院等離子體物理研究所、中國核工業集團有限公司和法國法馬通公司等。

科技日報2020年9月2日報導：《ITER又有新進展 地球上種的「太陽」已「發芽」》

此次吊裝的精度和形變控制要求極高，杜瓦下部筒體直徑30米，高10米，重量約400噸，尺寸大約佔ITER託卡馬克裝置的三分之一。8月31日，他們圓滿完成了吊裝工作。

低溫恆溫器的基座。圖片來源：ITER Organization/EJF Riche

想想看，在法國土地上建設的項目，法國也一向是以核工業大國著稱的，總裝卻交給了中國牽頭！這意味著什麼？意味著中國的技術實力得到了地球村全村人的認可。

中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所等承擔ITER總裝核心任務（http://www.cas.cn/yx/201907/t20190723_4700667.shtml）

我在以前的一期節目（第四屆中國製造日：地球村全村的希望 | 袁嵐峰）中講過2019年12月26日我參加第四屆「中國製造日」直播的經歷，我作為主持人，有一組對話嘉賓就來自中核集團。其中一位嘉賓是「大國工匠」未曉朋，他說以前他們的焊接技術是跟法國學的，而現在他們的技術碾壓法國。

第四屆中國製造日節目單

好吧，為了人類的利益，這種大工程還是多交給中國做的好。

衝出去只能靠核聚變

下面，我們來談談核聚變的原理。

核聚變是太陽和恆星的能量來源。在這些星體核心的巨大熱量和重力下，輕的原子核聚合成重的原子核，並在此過程中釋放出大量能量。

由於原子核都帶正電，互相之間有靜電斥力，在一般條件下，核聚變是不會發生的。但在太陽中心超級高溫高壓的條件下，氫就可以聚變成氦。這樣的反應已經進行了46億年，向外發出了巨大的能量。其中大約22億分之一到達地球，就滋養了地球豐富的生態圈和整個人類。大自然的安排是多麼不可思議！

當前的太陽

（https://www.yinhang123.net/zixun/shehuinews/2016/0523/70963.html）

再過50億年，太陽將變成紅巨星，氦開始聚變生成碳。到那時，太陽的體積會劇增，併吞噬地球。如果不從地球移民出去，人類也會被太陽吞噬。

變成紅巨星的太陽（https://www.yinhang123.net/zixun/shehuinews/2016/0523/70963.html）

早在1962年，錢學森就在《星際航行概論》裡指出，衝出太陽系、飛向其他恆星的火箭能源，只能是核聚變。

錢學森《星際航行概論》

難度巨大

太陽中心的溫度是1500萬攝氏度，壓強是2000億個標準大氣壓，在這樣的條件下，氫可以聚變成氦。但地球上沒有這麼高的壓強，要讓原子核克服斥力發生聚變，就需要把溫度提高到上億攝氏度。有什麼辦法能達到這麼苛刻的條件呢（用日星的能量上升到神的高度——科普核聚變 | 袁嵐峰）？

一個方便的答案是核裂變。氫彈都是用原子彈引爆的，先用裂變達到聚變條件，再通過聚變放出更大的能量。原子彈的威力通常為幾萬至幾十萬噸級TNT當量，氫彈的威力則大至幾千萬噸級TNT當量。在科幻小說《三體》裡，人類按照面壁者雷迪亞茲的計劃，用氫彈在水星上炸了很多大坑，最後這些大坑真的拯救了人類。

中國第一顆氫彈爆炸

但氫彈是不可控的聚變反應，並不能作為能源。人類在能源階梯上面對的下一級挑戰，是和平、可控地利用核聚變。

可控核聚變的難點有二：如何將聚變材料加熱到如此之高的溫度？用什麼容器來裝溫度這麼高的聚變材料？把核聚變反應堆看成一個火爐，第一個問題就相當於「如何點火」，第二個問題相當於「如何不把爐子燒穿」。

解決第一個問題，慣性約束雷射點火是一條思路。也就是說，把聚變燃料放在一個彈丸內部，用很多束超強雷射照射彈丸，瞬間達到高溫，彈丸外壁蒸發掉，並把核燃料向內擠壓。美國國家點火裝置（NIF）和中國的神光3號等實驗裝置，走的就是這條路。

雷射慣性約束核聚變

解決第二個問題，磁約束是一條思路。它是指把聚變燃料做成等離子體（原子核和電子分離，都可以自由流動），用超強磁場約束等離子體，讓它們懸空高速旋轉，不跟容器直接接觸。託卡馬克裝置走的就是這條路。

託卡馬克裝置示意圖。圖片來源：ITER

託卡馬克，是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形裝置。它的中央是一個環形真空，外面圍繞著線圈。通電時其內部會產生巨大的螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高溫度，以達到受控核聚變的目的。

一大麻煩在於，這兩條路是互相矛盾的。聚變燃料如果處於靜止，就很難不把容器燒穿；而如果處於運動中，聚焦點火又變得困難。這就是可控核聚變難度如此之大的原因。

中國未來可期

2016年11月初，中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所設計研製的先進實驗超導託卡馬克EAST，成為世界首個實現穩態高約束模式運行持續時間達到分鐘量級的託卡馬克核聚變實驗裝置。為使國內外專家易於發音、便於記憶，同時又有確切的科學含義，該裝置的名稱由「實驗（Experimental）」「先進（Advanced）」「超導（Superconducting）」「託卡馬克（Tokamak）」四個詞的英文首字母拼寫而成，同時具有「東方」的含義。

世界第一個全超導託卡馬克EAST

（http://www.ipp.cas.cn/kxcb/hjb/EAST/）

以往的一些核聚變實驗難以控制不穩定的等離子體，但在EAST上進行的實驗中，處在被極強電磁場屏蔽的一個環形室中的等離子體被控制在一種高效穩定態H-mode，即高約束模式。物理學家認為，高約束模式是未來核聚變電站的最佳工作狀態。簡而言之，核聚變更加「可控」了。

2018年度EAST實現的1億度等離子體放電（http://www.ipp.ac.cn/xwdt/ttxw/201811/t20181112_457457.html）

2016年，中國研製的熱核聚變堆核心部件在國際上率先通過認證。這種核心部件是盛放超過1億攝氏度的聚變燃料的容器。在權威機構進行的實驗中，該材料經受住了比設計標準還高20%的極端高溫環境的考驗。簡單說，更「耐熱」了。這就有可能克服慣性約束與磁約束之間的矛盾，在「不燒穿爐子」的情況下實現點火。

2016年12月10日，《新聞聯播》報導我國研製的核聚變堆核心部件在國際上率先通過認證，這是我國對國際熱核聚變實驗堆項目的重大貢獻

EAST是用來研究等離子體物理的，它本身並不能實現核聚變。什麼裝置能實現核聚變呢？答案就是ITER。它有100多萬個部件，將成為世界上最大的託卡馬克裝置。

ITER 組件建造分工ITER 組件建造分工，中國主要參與建造磁體饋線（feeder，左上角）和極向場線圈（PF coils，左下角）。圖片來源：ITER

為了準備機器的組裝，近幾個月來，這些前所未有的巨型部件已經陸續運抵法國。許多部件重達幾百噸，長度超過15米。它們還必須遵循一個複雜的時間表，按時到達法國（世界最大「人造太陽」今天啟動組裝！35國曆時14年共建國際熱核聚變實驗堆ITER，中國建造多個核心部件）。

在 ITER China 網站上可以查看所有中國製造的部件。網址：http://www.iterchina.cn/index.html

ITER組織總幹事貝爾納·比戈（Bernard Bigot）說：「項目管理、系統工程、風險管理和機器裝配物流的每一個方面都必須協同配合，像瑞士手錶一樣精確。」

根據ITER發表的公報，組裝工作將於2025年12月結束，然後進行首次等離子體放電。理想的前景是，2070年前後，商業的核聚變反應堆開始發電，本世紀內推廣核聚變發電的商業應用。

比戈說，如果核聚變投入廣泛使用，並成為可再生能源的補充，電力的使用量將大大提升，交通、建築和工業帶來的溫室氣體排放將減少。實現僅使用清潔能源，將是我們這個星球的一個奇蹟。

我們對ITER寄予厚望，但並非全部的希望。因為國際合作工程可能陷入多國扯皮的窘境，ITER此前就延期了很多年。2017年，中國在合肥啟動了中國聚變工程試驗堆（CFETR）的工程設計，預期在2050年前後建設聚變商業示範堆（【百萬播放】國際核聚變項目豬隊友太多？中國：算了，我自己來）。

中國聚變工程試驗堆CFETR建築群效果圖

中國的決心和工程能力，可望對人類跨過這個終極挑戰提供堅強的保障。

中國磁約束聚變發展路線圖

而在我們無法看到的未來，人類或許能利用核聚變離開太陽系，尋找宇宙中的另一個家園。

星辰大海

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背景簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長，「科技袁人」節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，入選「典贊·2018科普中國」十大科學傳播人物，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

本文應新華社之邀寫作，節選版本2020年9月2日發表於《環球》雜誌（https://xhpfmapi.zhongguowangshi.com/vh512/share/9370817）。

責任編輯：楊娜