中国又点亮一个“人造太阳”，美俄欧日：脸痛，别打了！

在现代科学最前沿的领域，有一个“永远的‘50年后’”的梗。

20世纪60年代，科学家说人类50年后将实现可控核聚变，

20世纪70年代，科学家说人类50年后将实现可控核聚变，

20世纪80年代，科学家说人类50年后将实现可控核聚变，

……

然而直到今天，核聚变发电还只是镜花水月，遥不可及。

不过，核聚变发电迟迟未能实现，不代表人类在这条科学之路上一无所获，尤其不代表中国在这方面一无所获。

12月4日，离“奋斗者”号深潜器下马里亚纳海沟“捉鳖”没过多久，大多数人的目光还盯着嫦娥五号“上九天揽月”，中国的“人造太阳”就不声不响又取得了突破——

新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电。

所谓放电，就是成功产生等离子体。

按《人民日报》的说法，这“标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。”

谦虚了。

实际上，放到国际社会上，这一成果标志着中国稳稳站在了核聚变技术第一梯队­——甚至是领先的位置上。

同时，这也让这个领域屡屡上演的“打脸”故事得以延续。

打脸复打脸

核聚变的历史是一部充满转折的历史，“打脸”是这项技术发展的关键推动力。

和迟迟无法投入应用的现状不同，人类对核聚变的认识非常早，甚至在中国人还在学习使用蒸汽动力的19世纪60年代，欧洲科学家就开始讨论核聚变了。

20世纪20-30年代，科学家认识到原子、原子核，以及其中的质子、中子，为核聚变研究奠定基础。

1929年，英国的阿特金森(de Atkinson R.)和奥地利的奥特斯曼(F.G.Houtersman)从理论上计算了氢原子聚变的可能性。

1939年，美国物理学家汉斯·贝特写出了氢离子聚变的4步链式反应，完成了核聚变的理论创建工作，业界开始实际试验阶段。

在这方面，最先取得进展的是欧美。

1946年，英国人最先提出“环形箍缩”原理，并于次年建成直线箍缩装置。

5年后，美国普林斯顿大学教授斯必泽(Lyman Spitzer)建造扭曲环形装置的设想，也就是后来的“仿星器”。

之后1年，同样是美国科学家波斯特(S.Post)提出了“磁镜”方案。

作为前沿技术，各个大国都对核聚变十分重视。美国的普林斯顿大学、洛斯阿拉莫斯科学研究室、橡树岭国家实验室等大名鼎鼎的科学机构皆投身其中。

1953年，美国原子能委员会设立了“薛伍德方案”实施小组，拨出大量专项经费，专门研究核聚变，主要方案就是上述3种。

然而，这几种方案发展都十分缓慢，各类试验普遍不稳定，约束时间、温度等指标均与目标相去甚远。英、美在这方面竞争十几年，却逐渐走进了死胡同。

在同一时间，世界的“另一边”，苏联默默提出、发展了另外一种方案——“托卡马克”。

关于几种方案的不同，我们放到后面讲。你只需要知道，在如今，托卡马克被业界视为最有前途的方案，吃掉了该领域大部分研发投入，并取得了最多成果。

中国这次的HL-2M设备也是托卡马克的一种。

但当时的情况并非如此。

自1954年，苏联库尔恰托夫核能研究所做出了世界上第1台托卡马克装置后，这一技术一直处于相对“冷门”的状态。

首先是因为苏联严格保密这一技术。毕竟当时还是冷战初期激烈对抗的阶段，核聚变技术也有军事化的可能。

一开始，美欧并不知道托卡马克，只是苏联默默发展，从T-1到T-3，前后发展了3代。

赫鲁晓夫上位后，在部分领域和欧美采取缓和策略，使得核聚变技术的国际交流成为可能。

1958年，毫无头绪的美国索性在日内瓦“原子与和平”大会上公开了自己的所有研究资料和模型，苏联也顺势第1次向世界展示了托卡马克方案。

但可能是某种偏见，当时的国际科学界都瞧不上托卡马克方案，依然认为仿星器才是较为可行的实施构想。

于是他们在死胡同中又打转了10年。

1968年，苏联举行了等离子体物理和受控核聚变研究的第3届国际会议，宣布T-3装置的等离子体温度成功超过1千万度并束缚几毫秒，这一成就远超于美欧过去的研究。

全球科学界都轰动了。

对此，美欧科学家的第一反应是——不相信。

结果1969年，苏联邀请英国科学家亲自前往库尔恰托夫原子能研究所参与实验，当面打脸。8月，英国卡里姆实验室主任公开宣布，实验结果是正确的。

全球核聚变领域迅速“改旗易帜”，投身托卡马克的怀抱。之后，全球掀起了一波托卡马克热潮。

之后的“五大托卡马克”——美国的TFTR和DIII-D、欧洲的JET、苏联的T-15和日本的JT-60都在接下来十几年建成。

核聚变领域第2次打脸的主角是中国。

1985年，全球几个处于核聚变技术前沿的大国为了“集中力量办大事”，加快突破核聚变技术，决定合作建设“国际热核聚变实验堆”，也就是ITER。

当时参与的国家是美、苏、欧、日——没有中国。

这些国家不带中国玩也情有可原。毕竟前1年，西南物理研究院才刚刚建成中国第1台托卡马克装置，即HL-2M的前辈——HL-1。

从国际眼光看，中国的核聚变技术无疑是落后的，技术储备和基础都很差，是一个累赘。

天有不测风云，几年后，苏联经济崩了。

这导致2个后果。第一，ITER少了一个重要金主;第二，中国捡便宜的时候到了。

在苏联经济困难的80年代后期，原来建的十几台托卡马克已经运行不下去。

库尔恰托夫原子能研究所一拍桌子，决定把已经停运的T-7托卡马克便宜卖给中国，换点钱维持生活。

之后，中国以400万人民币买下了据称价值1500万美元的T-7装置，而且没有动用外汇，只用羽绒服、牛仔裤以物易物。

1991年，T-7拆解打包后运回中国，1995年重建成功，改名为HT-7。HT-7给中国磁约束核聚变研究带来的收益不可胜数，直接让中国在这一领域走在了世界前沿。

2006年，在HT-7的技术基础上，中国建成新一代超导托卡马克装置HT-7U，也就是后来的EAST，东方超环。

另一边，ITER的日子很不好过。苏联变成了又穷又乱的俄罗斯，日本经济紧接着崩溃了，一下少了2个大金主。

同时，1996年各方讨论预算，认为至少需要100亿美元，ITER才能建成。

1996年的100亿美元，什么概念?

在国会的反对下，美国于1998年退出ITER，差点让项目画上句号。

这时，有技术又有钱的中国表示，对ITER感兴趣。

2003年，欧盟、日本、俄罗斯宣布，欢迎中国加入ITER。

察觉到气氛不对，美国也在同年宣布回归项目，并且拉拢了韩国、印度加入。

不过，3个和尚没水吃，更何况是7个?在中国核聚变研究顺利推进的同时，ITER却在某些国家的扯皮和拖沓中不断跳票。

2001年项目预期，ITER将在2010年之前投入运行。

2007年，这一预期变为2016年。

2009年，这一预期变为2018年。

2012年，这一预期变为2019年。

2016年，这一预期变为2021年。

……

终于在2019年，ITER所在的法国做出了一个决定：甩掉其他人，单独和中国合作。

当年，中核集团牵头成立中法联合体，和原来项目组织方签订协议，自己负责核心部件生产与安装。

于是到今年7月，我们才能看到ITER开始组装的消息。

过去，出于意识形态和地缘政治原因，ITER项目的其他6个国家对中国核聚变发展都抱有警惕，商量过要把中国踢出去。

没想到一转眼，中国把他们踢出去了。

世间最打脸的事莫过于此。

另一件打脸的是，当初中国决定建设HL-2M，本身就含有ITER无法按期完成的考虑，最后果然如此。

HL-2M已经成功放电了，ITER还在法国的荒漠中建造着。

托卡马克是什么?

看到这里，可能很多人已经想问了，前面说的托卡马克、仿星器、磁镜之类的，都是什么?

这个还要从核聚变原理讲起。

众所周知，核聚变的原理是让小质量的原子核碰撞、聚合，生成新的质量更重的原子核。

这一过程中会损失质量和中子，这部分质量会转化成巨大的能量释放出来。

目前，人类最熟悉的聚变反应是，用氢的同位素——氘和氚聚变，生成氦并释放中子和能量。

但是要发生这个反应并不容易。

原子核周围有电子阻隔，原子核本身都带正电，互相排斥，所以自然情况下很难发生碰撞。

怎么办?

加热。

加热相当于输入能量，微观上可以让电子运动加快，挣脱原子核的束缚。

这种电子脱离的过程叫作电离，电离后只剩下原子核聚作一团，就是核聚变的原料。这种原料叫作等离子体。

同时，加热也可以让等离子体中的原子核运动得更快，只要速度够快，碰撞的时候就能克服斥力，撞成一团，发生融合。

不过，这种反应对温度的要求极高，理论上说，至少要1亿摄氏度。如果直接接触，地球上没有任何材料可以承受这一高温。

所以，不能直接接触。

科学家设想，可以像磁浮列车一样，利用特别的磁场，让等离子体“浮”在磁场中发生聚变反应。

这就是磁约束核聚变的思路。

托卡马克就是这一思路的产物。

托卡马克，这个拗口的词一看就不是汉语原生。没错，它是英文Tokamak的音译，来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。

这个名字组合实际上已经囊括了其主要特征。它是一种环形装置，里面是真空的，外面围绕着一圈一圈的线圈。

线圈通电时会产生纵向磁场，同时等离子体在环形轨道中高速运动本身也会产生极向磁场，这样，等离子体就被磁场悬浮在了环形轨道中发生反应。

仿星器的原理和托卡马克类似，但是它把产生纵向磁场和极向磁场的工作都交给外部线圈。

这样避免了托卡马克要精准控制等离子体电流的难点，把困难转移到线圈、轨道的设计和制作上。

同时，装置也变得非常丑，和扭麻花一样……

至于箍缩、磁镜，大体原理也差不多，具体的技术差异，感兴趣的读者可以谷歌一下。篇幅原因，这里就不多介绍了。

这里偷偷说一句，中国除了在托卡马克装置的单项上全球领先之外，还是唯一一个在仿星器、箍缩乃至激光惯性约束、材料辐照研究等领域全面发展，每个领域都有大装置的国家。

根据我国规划，除了EAST和ITER以外，更先进的CFTER已经在建设中。而到2050年，我们就能初步看到原型电站落成，看看“50年后”的世界是什么样子。

在科幻电影中，全新的能量来源是支撑未来世界各种奇异技术的根基。现如今，中国正在科幻的道路上，领头大步迈进。