近期最火的電影要屬《復仇者聯盟4》，貫穿該系列多部作品的人氣角色——鋼鐵俠的命運，牽動著億萬粉絲的心。你知道嗎？為鋼鐵俠戰甲提供能源的“方舟反應爐”並不僅僅是科幻，它在現實生活中的原型就是受控核聚變裝置。
被稱為未來能源的核能，主要有核裂變能和核聚變能兩種形式。前者早已因各地興建的核電站走進千家萬戶，而後者因其複雜的反應條件和更高的技術要求，至今仍處於實驗階段。由於與太陽發光發熱的原理相同，受控核聚變實驗裝置又被稱為“人造太陽”，是人類尋找能源出路的希望。
記者瞭解到，在開發核聚變能源的路上，中國已從“追趕者”“並跑者”，成長為具備強大國際輸出能力的“領跑者”。科學家們數十年艱辛“逐日”，就是盼望核聚變能點亮的第一盞燈在中國。
核聚變為何這樣難以控制，我們已經取得了哪些進展？日前，記者參加國務院國資委新聞中心組織的“科幻作家走進新國企”活動，來到位於四川省成都市的中核集團核工業西南物理研究院，探訪核聚變研究的前世今生。
尋找理想的終極能源
能源危機被認為是人類社會發展面臨的最大難題。地球上的煤炭、天然氣、石油等化石能源終將枯竭，人類未來的命運聚焦在尋找更加持久的清潔能源上。
100多年前，愛因斯坦提出了著名的質能轉換公式E=mc2，揭開了核能的面紗。
當前，核電站利用的核能都是核裂變——由較重的原子核（例如鈾）裂變成較輕的原子核，從中釋放出能量。然而，鈾礦的儲量有限，長遠看難以滿足人類的需求。
核聚變的過程正相反，而且單位質量下釋放的能量比裂變高得多。太陽的光和熱，就來源於氫的同位素氘和氚在聚變成氦原子過程中釋放出的能量。
“與核裂變相比，核聚變的安全性高，廢料處理成本低，原料更易獲得。”核工業西南物理研究院院長劉永告訴記者，氘在海水中儲量極為豐富，氘氚反應產物沒有放射性，核聚變反應堆不會產生汙染環境的硫、氮氧化物及溫室氣體。
有計算表明，從一升海水中提取出的氘，在完全的聚變反應中可釋放相當於燃燒300升汽油的能量。海洋中蘊藏了約40萬億噸氘，理論上用於聚變反應釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無窮無盡。
這意味著，如果受控核聚變能大規模實現，將從根本上解決人類的能源危機。聚變能源，就是人類夢寐以求的安全經濟高效持久能源。
我國於上世紀90年代制定了熱堆、快堆、聚變堆的“三步走”核能發展戰略。其中，熱堆與快堆都是裂變反應。目前，我國自主研發的“華龍一號”是第三代核電技術，處於核能第一步與第二步的銜接階段。為了實現第三步，科學家們已投入半個世紀時間去探索研究。
追逐太陽的中國“聚變人”
來到成都前，記者設想的核聚變實驗裝置是藏在深山或埋在地下的。沒想到，它就在成都市區核工業西南物理研究院的大樓裡。
在佔地面積上百平方米、三層樓高的實驗室裡，第二代中國“人造太陽”——中國環流器二號A聚變實驗裝置（HL-2A）首次對作家和媒體同時開放。“開發核聚變能源，造福子孫後代”的標語貼在牆上，各種管線、機櫃圍繞在一個巨型環狀機器周圍，令人眼花繚亂、心生敬畏。這是我國能源戰略發展的重要研究設施，為核聚變研究提供了實驗平臺。
“我們現在看到的機器是中國環流器二號A的核心裝置。裡面是環形的真空室，外面纏繞著線圈，就像一個平放的輪胎。”核工業西南物理研究院特聘研究員鍾武律講解說，整個裝置還包括5兆瓦電子迴旋加熱系統、3兆瓦中性束注入系統、2兆瓦低混雜波系統、30萬千瓦脈衝發電機組，以及30多種50餘套診斷系統等。
環流器啟動時，實驗室完全封閉，任何人都不能進入。但通過實驗室外中央控制室的大屏幕，工作人員可以看到核聚變裝置的內部運行圖像，兩側的分屏也會顯示各種數據參數。
我們都知道，氫彈是靠原子彈做“引線”產生高溫高壓環境才得以發生聚變反應引爆的。連不受控的核聚變都需要如此苛刻的條件，受控核聚變的難度可想而知。
“1億度以上的高溫、長時間約束在有限的空間中、足夠高的密度，受控核聚變的三大條件缺一不可。”劉永表示，如此高的溫度下，物質已經成為等離子體，這是除固體、液體和氣體之外的第四種形態。如何約束等離子體，就成了核聚變實驗的重中之重。
自上世紀50年代起，英國、美國和蘇聯就投入了大量經費，研究核聚變等離子體的約束方法。在此過程中，人們對實現受控核聚變難度的認識也逐步加深。
目前，全球科學家研究實現受控熱核聚變的技術方案主要有兩種：磁約束聚變和慣性約束聚變。前者利用強磁場較長時間約束高溫稀薄等離子體使之發生聚變反應。由蘇聯科學家提出的“託卡馬克（Tokamak）”裝置，是目前國際公認的最有可能率先實現商業聚變堆的技術路線。後者則利用多種高能量驅動方式形成高溫高壓環境，使氘氚靶丸實現熱核聚變點火和燃燒，工程技術要求很高，商用可行性稍差。
記者瞭解到，中國環流器二號A於2002年建成投入使用，並在2013年進行了升級改造，其等離子體電子溫度高達5500萬度，這比太陽中心部的溫度還要高近三倍。而在高密度條件下，等離子體溫度一旦達到1億度以上，可使數目可觀的粒子具有足夠動能克服原子核間斥力而實現核聚變反應，產生可觀的聚變能。
劉永透露，核工業西南物理研究院將於今年底建成中國環流器二號M裝置（HL-2M），屆時裝置內等離子體溫度將超過1億度，具備開展堆芯等離子體研究的條件。
為最大“人造太陽”貢獻中國智慧
受控核聚變研究一旦成功，受益的無疑是整個人類社會。因此，它需要世界各國共同推動、共同研究。正是基於這樣的理念，“國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）”誕生了。
ITER是規模僅次於國際空間站的一項重大的多邊大科學國際合作計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗堆。成立於2007年的ITER組織，由歐盟、中國、美國、俄羅斯、韓國、日本和印度參與。
“ITER是世界上在建的最大、最複雜的託卡馬克裝置，也是技術最先進的‘人造太陽’。它的體積接近天壇祈年殿的尺寸，高30米，直徑28米，重達1萬噸。”劉永介紹。
在七方共同努力播種“太陽”的進程中，中國的表現十分突出。
“我國承擔了ITER裝置9%的採購包製造任務，成為除歐盟外承擔任務最多的國家。”劉永介紹，中方採購包任務中的所有涉核部件均由核工業西南物理研究院承擔。
劉永說，自2010年12月以來，他們聯合國內多家企業組成的團隊，先後完成了從材料到製造工藝的系列認證，以及ITER磁體支撐採購包的生產製造任務，取得多項關鍵技術的重大突破，最終獲得ITER國際組織的認可，為和平利用核能和人類可持續發展貢獻了中國智慧和中國方案。
ITER組織總部位於法國南部的聖保羅-萊迪朗斯小鎮，數千名來自不同國家的科學家、工程師和管理人員在這裡埋頭“築夢”，當然也少不了中國科研人員的身影。
曾在ITER法國總部工作了近10年、最近剛回國的核工業西南物理研究院聚變科學所副總工程師周才品認為，中國在國際合作過程中，提升了科技創新能力、高端製造水平、國際項目管理能力和專業技術人才培養能力，為中國聚變堆建設提供強有力的技術及人才儲備。
“通過參與ITER計劃，中國在可控熱核聚變領域的整體水平有了很大提升，部分技術已達到國際領先水平。”周才品說。
目前，中國已交付了組建國際熱核聚變實驗堆所需的饋線、磁體支撐等多種重要部件，有利於相關實驗如期順利開展。
ITER組織總幹事貝爾納·比戈此前曾多次表示，中國是這一世界最大“人造太陽”項目非常好的合作伙伴，中國交付相關產品按時保質，堪稱合作各方的榜樣。
如今，各國在開展ITER合作研究的同時，也在加速推進本國研究進程。“如果將來有一盞燈會被聚變之能點亮，期盼這盞燈在中國。”“聚變人”對我國受控核聚變的未來充滿信心。
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