如何用冰冷的超導材料，握住宇宙最狂暴的熱量？

《山海經》里記載了夸父追日的故事。雖然夸父奔馳了幾千里還是沒追上太陽，但他堅持不懈的頑強毅力感動了無數華夏兒女。時間流轉了千年，如今在安徽合肥，一項名為“夸父追日”的項目正在開展。既然追不到太陽，那就創造一個“太陽”吧！

夸父啟明

讓我們造個太陽吧！

太陽是因為內部不斷進行著核聚變反應，才如此明亮。緊湊型聚變能實驗裝置（BEST，Burning Plasma Experimental Superconducting Tokamak）是燃燒等離子體物理實驗裝置，目的是通過可控核聚變技術來獲取能源，因此也被稱為“人造太陽”。

BEST 項目模型丨編輯部同事拍攝

核聚變的物理原理說起來很簡單：將輕原子核（通常是氫的同位素：氘 D和氚 T）結合成較重的原子核（氦），并釋放出驚人的能量，但在實際操作中卻困難重重。由于核聚變需要將燃料（等離子體）加熱到一億攝氏度以上（這時物質會變成等離子體），地球上沒有任何實體材料能經受住這種高溫，而磁約束托卡馬克就是通過磁場約束上億度高溫等離子體的聚變裝置。

托卡馬克的內部是一個環形的真空室，類似輪胎的結構，真空室外部是各種形態的線圈。它的原理是利用強磁場構筑一個“磁籠子”，讓高溫帶電的等離子體懸浮在真空中，不接觸容器壁。

托卡馬克的磁場丨wikipedia

“磁籠子”是利用了洛倫茲力才能約束住等離子體的。等離子體是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的，帶電粒子不會橫穿磁場線，而是會繞著磁場線做螺旋形運動。磁場就像一個“隱形的軌道”，把帶電粒子約束在這些軌道上。當科學家把磁場線彎成一個首尾相接的環時，粒子就會在這個環形軌道里永無止境地跑下去。

如今國際上關于核聚變的研究，大多在托卡馬克的裝置上進行的。BEST 裝置采用緊湊高場超導托卡馬克技術路線，驗證聚變可在真實燃料環境下實現凈輸出能量，演示核聚變發電。它走在“等離子體物理實驗”向“聚變工程驗證”跨越的臨界點上。在核聚變這個被稱為“人類能源終極戰場”的賽道上，BEST 的出現，標志著中國已經從國際合作中的“重要參與者”，正式轉向了全球技術路線的“定義者”之一。

造太陽不易

困難重重

1、“緊湊”的秘密

在托卡馬克裝置中，有一個物理規律：聚變功率與磁場強度的四次方成正比，也就是磁場越強，聚變的功率越大。

因此傳統托卡馬克裝置是依靠加大體積來換取能量的。但如果一個聚變堆需要造得像一座城市那么大，它將永遠無法大規模普及。

如何縮減體積，是核聚變未來探索的必經之路。還記得 BEST 的全名嗎？緊湊型聚變能實驗裝置，它的目的是用更小的體積追求更強的磁場。

為了實現這個目標，科學家們把目光鎖定到高溫超導（HTS）材料上。

要想約束能量巨大的等離子體，需要的磁場強度極高（通常是地球磁場的數萬倍）。普通銅導線如果通過這么大的電流，會因為電阻發熱而瞬間熔化。用高溫超導材料制造成的超導磁體（Superconducting Magnets），可以在極低溫度下電阻消失，這意味著可以通入巨大的電流幾乎不產生熱量，從而產生較強的穩定磁場。這對于聚變堆的長時間穩態運行至關重要。

有了這些材料的加持，才可以讓“磁籠子”造得更小、更緊固。

2、Q值的實戰

在聚變研究中，Q 值（能量增益因子）是衡量“這買賣劃不劃算”的絕對核心指標。

Q<1：耗電比發電多。目前大多數實驗裝置處于這個階段。

Q=1（盈虧平衡點，Breakeven）：產生的能量剛好等于輸入的能量。這在物理學上是一個里程碑。

Q≥1：這是 BEST 項目的重要目標。

Q≥10：國際熱核聚變實驗堆（ITER）的目標。在這個量級，產生的能量足以維持等離子體的自我加熱。

Q=∞：理論上的完美狀態。反應一旦開始，不再需要外部加熱，靠自身產生的熱量就能持續反應。

但當 Q 達到 5 甚至更高時，聚變反應自身產生的粒子（氦核）所攜帶的能量開始超過外部輸入的加熱能量，就進入了燃燒等離子體（Burning Plasma）狀態。這時候，等離子體會產生復雜的湍流和不穩定性，像一鍋煮沸的粥，而如何不讓它“撲鍋”（溢出磁約束），也是要解決的問題。

3、氚的循環值的實戰

核聚變的燃料是氘和氚。海水中富含大量的氘，但氚在自然界中幾乎不存在。如何才能提供充足的核聚變原料，也是科學家要解決的難題之一。

好在科學家們發現，鋰是目前已知的、在工程上最可行且效率最高的產氚媒介。

由于中子不帶電，所以聚變反應產生的高能中子是不受“磁籠子”約束的，它們會在真空室里橫沖直撞。當高能中子轟擊到包層的鋰之后，會與鋰發生反應，產生新的氚。

利用這個原理，科學家們希望創造出一個可以自給自足的反應堆。聚變產生的中子轟擊鋰產生氚，生成的氚被提取出來，重新注入回真空室，繼續維持聚變，可謂子子孫孫無窮盡也。

結語

發展核聚變不僅是一項前沿的科學挑戰，更是我國邁向未來能源自主與實現“雙碳”戰略的核心底座。掌握了核聚變，等同于掌握了“人造太陽”的火種。只有科技自立自強，才是國家的強盛之基、安全之要。

策劃制作

來源丨科普中國綜合自新華社、央視新聞、中國核電網

審核丨葉華龍 科普中國專家

蔡其敏 科普中國專家

整理丨甄曦

責編丨甄曦