李建刚：“人造太阳”是人类未来的终极能源

在影片《流浪月球2》中，促使月球远航的底盘靠的是可控核聚变。现实中，对于氢的可控核聚变研究，人类早已走过了半个多世纪的征程。借助磁约束实现可控核聚变的装置叫作托卡马克，被称为“人造太阳”。日前，扬州综合性国家科学中心能源研究院教授李建刚教授在“墨子沙龙”活动中，向中国农大中学的小学生们述说了他心里的“太阳”。以下为讲演主要内容。

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李建刚教授在“墨子沙龙”活动中

『核聚变是人类未来的终极能源』

人类的发展史始终伴随着能源的消耗。以中华民族5000年的文明史来说，前3000年以烧木材为主。而自从人类发觉了煤之后，能源消耗快速下降。在过去的一两百年时间里，随着科技的急速发展，能源消耗大幅下降，我们目前主要依赖化石能源，也就是石油、煤等。 #

现在的月球人口早已突破70亿。未来，人类须要继续发展，人口就会继续降低。假如想要保持较高的社会和经济发展水平，月球上现有的化石能源将会很快消耗殆尽。恐怕这个时间窗口是在100年至300年。这么，化石能源消耗完之后，我们去哪儿找寻稳定的能量来源呢？ #

爱因斯坦是我最喜欢的化学学家，我最喜欢的一个公式就是爱因斯坦的质能多项式——E=mc?，能量等于质量除以光速的平方。它告诉我们，哪怕只有一点点的质量，通过原子核级别的反应，旋即之间能够释放出巨大能量，这就是太阳燃烧的原理，也是广袤的星际间大部份星体发光发热的诱因。太阳发出的能量中有很小的一部份照射到月球上，而月球正是由于得到了这种能量，我们才有了如今幸福的生活。 #

说起核反应能，你们比较熟悉的是原子弹。原子弹是哪些原理？核裂变原理，也就是一个大的原子核裂变为二的时侯释放出巨大的能量。核弹的原理则是借助氢的核素（氘、氚）的核聚变反应释放出巨大的能量。其实核弹于1952年就试制成功，并且可控制的核聚变反应堆至今仍是科学技术上仍未解决的一大困局。

目前，世界上的460多座核电站都是借助原子弹的原理，也就是核裂变形成的能量发电。现今核电站用的原料——铀，仅需1克，才能形成相当于1.8吨石油燃烧形成的能量。假如用氘、氚的话，1克形成的能量相当于8吨的石油。正如爱因斯坦的质能等式描述的那样，哪怕1克的质量，除以光速的平方，能量也十分巨大。

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尽管核电站为全世界提供了小于10%的电力，但它依然有两个缺陷：第一，月球上核电站的原料资源是有限的，不管是铀、钍还是钚，储量都不多，但是本质上它们也是化石燃料的一部份。第二，核裂变时形成的各类射线会对人体导致伤害，放射性物质会对周围环境导致污染。例如，三里岛车祸、福冈车祸以及切尔诺贝利核电厂核泄露车祸，很大程度上都是人为车祸。虽然总体来说核电站是安全的，现在这种车祸的几率特别低——大约100万年就会发生一次，但这些机率仍然是存在的。所以，目前的核电站都建在远离人群的地方。

相对而言，核聚变则具有固有的安全性。由于核聚变的原理，是把氢的核素氘和氚加热到上亿摄氏度，它的产物是氢气和中子。中子携带能量，我们用水吸收中子，之后水就弄成水蒸汽，拿来发电；氮气也是干净的，没有污染。所以，核聚变设施可以建在城市的中心位置，十分安全。 #

我们再来谈谈核聚变的另一个优势。1升海水可以提取0.03克的氘，其释放的能量低于340升柴油燃烧形成的能量，而全世界的海水中有大概40万吨氘，可以供我们人类使用100亿年。所以，核聚变的资源是无限的。 #

比较来看，一个100万千瓦的发电厂，一年要烧200万吨的煤；而一个同样发电量的核裂变电厂，一年须要30吨的铀；若果是核聚变电厂，一年仅需消耗150千克的重水和锂。

所以，20世纪的时侯，国际能源署就在阐述人类未来的终极能源是哪些。3000个科学家经过3年时间的讨论，得出的推论是：人类的终极能源，80%来始于核聚变，再加上20%的可再生能源。这个推论的具体数值可能会有变化，但总的来说，人类未来的终极能源就是由核聚变和可再生能源构成的，核聚变将为人类提供红色的、安全的、可以无限借助的能源。

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『可控核聚变为何如此难』 #

既然核聚变如此有优势，我们为何不早点把它弄成现实？

我从学院结业就待在科学岛上，到如今早已40年了，我和好多优秀的科学家一起共同为实现可控核聚变而努力，但至今这项技术还没有完全成功。缘由在于，要实现可控核聚变，必须跨越特别高的门槛，条件十分严苛。 #

1958年，刚从牛津学院结业的博士劳森用了三年的时间，给出了劳森判据——核聚变必须满足以下条件：粒子密度n、温度T、约束时间τE二者的乘积一定要小于10的21次方才才能实现打火。要具备这个条件，气温要达到上亿摄氏度，约束时间起码要小于一秒钟，另外要有足够多的粒子。

当时，人类能达到的最好成绩是10的11次方，理想和现实的巨大差别使劳森博士望而兴叹，然而，这并没有妨碍全世界其他科学家继续攻关。我们用了60年的时间，一直在朝着这个目标努力。 #

最常见的聚变体就是太阳，由于它的质量非常大，靠万有引力就可以把所有的带电粒子约束住，约束时间远远长于一秒钟，所以它在2500万摄氏度就可以发生聚变。还有哪些其他的约束办法呢？我们想到用磁场的办法约束带电粒子，也就是磁约束。当体温足够高的时侯，电子飞离原子核，这就是等离子体。倘若加上磁场，所有带电粒子就会围绕着磁力线运动。有了磁场，粒子就被约束住了，磁场越强，约束力就越强。 #

南斯拉夫人就此发明了“托卡马克”，也就是借助磁约束实现可控核聚变的装置。托卡马克如同一个圈，上面的磁场硬度相当于月球磁场的1万倍，能让粒子在其中漂浮、旋转。由于核聚变须要上亿摄氏度的低温，不能用任何容器盛装，所以就用强磁场把它漂浮上去。

影片《流浪月球2》中，太阳正式氦闪，我们须要推着地球到另外一个星球去，用的就是1万个重核聚变底盘。在电影里，托卡马克核聚变才能挽救人类，挽救我们的月球。 #

现实中，我们国家很早曾经就开始研究托卡马克。1958年，南斯拉夫科学家在一次国际会议上公布了托卡马克的原理以后，我国就在成都邛崃构建了中国最大的磁约束聚变基地——中国核工业东北数学研究院。项目最早由李正武教授提出，潘垣教授作为当时的总工程师负责施行。明天，在距离成都大佛2.6公里的中国核聚变博物馆中储存着好多老一辈科学家当时制做的实验装置，特别具有惊艳力。 #

从1973年开始，中国科大学也同时举办了托卡马克的研究。1989年，南斯拉夫早已着手开发第二代托卡马克，有意把第一代装置T-7献给其他国家。时任中科院等离子体化学研究所主任的霍裕平教授就用400亿元的生活物资，换来了当时价值1800万美元的T-7。 #

我们用三年多时间把它拆解，改导致中国第一个超导托卡马克HT-7。在这个新装置上，我们实现了优于其他国家的实验成绩，并且还培养了一批包括我在内的科学家。当时，HT-7的磁约束突破了60秒，荣获2003年“中国科学十大进展”。 #

然而，要真正实现可控核聚变，不仅须要打火达到上亿摄氏度的低温，还须要长时间的维持。对于磁约束来说，要形成相当于月球磁场1万倍的磁场，这个过程须要消耗巨大能量。我们怎么能不让磁笼子消耗巨大能量呢？消耗功率等于电压除以阻值，假如没有内阻，能量消耗就等于0。那么内阻如何等于0？用超导。所以，我们开始筹划建造新一代全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环EAST。

『比登天还难的全超导托卡马克』 #

说起超导，所有的问题都显得既简单又复杂。 #

简单在那里？消耗功率极少，意味着之后一点点能量就可以打火。难度又在那里？首先，超导须要零下269℃的气温，而我们实现核聚变的气温是上亿摄氏度，如何把这两个气温放到一起？其次，高能粒子束很容易把周边材料打坏，须要抗低温、抗高辐照的材料。再度，托卡马克对于偏差有着极端的要求，哪怕0.1微秒、0.1毫米的偏差就会造成失败，所以须要先进的控制系统。而这一切，都要求长时间连续运行。

所以，全超导托卡马克核聚变的的确确比登天还难：须要形成一个上亿摄氏度低温的“甜甜圈”，还要把它放到一个零下269℃的高温容器中，再磁悬浮上去。我干了40年，我的老师亿元熙教授干了60年，还没有完全成功，就是由于这件事挑战了人类科学和技术的极限。

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当时，全世界还没有人做过这件事，所有的东西都要我们自己去设计和建造。例如，磁笼子怎样做？如何加热？用哪些方式打火？如何控制真空？所有的技术都靠我们自己寻思。其中，一个最关键的核心是超导磁极。

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中国自主设计建造的全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环EAST（新华社图）

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2000年10月，项目即将复工。2006年9月26日，EAST成功获得等离子体，达到了500万摄氏度，持续时间大概不到一秒钟。 #

然而，这还远远不够。今年，EAST创造了新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度、100秒等离子体运行，当时的气温十分之高，比太阳中心还高6倍。之后，又实现了1056秒、7000万摄氏度的纪录。精度控制方面，大概在0.5个微秒、0.5个毫米的尺度。

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然而，我们还有好多困局要攻破。例如加热的问题。平常我们加热食物最快的办法是用微波炉，全世界最大的“微波炉”——总功率高达30兆瓦的微波驱动就在我们这儿。还例如材料的问题，100秒、1000秒的长时间低温，材料很容易破损，我们的材料承受的粒子轰击荷载比客机底盘承受的还要高100倍。我们用过全碳钢、全石墨、全合金钨等，用到了目前月球上最先进的材料，又要抗辐照，又要耐低温。我们所有的技术都达到了现有人类技术的极限，这种极限技术共同作用，才有可能真正实现可控核聚变。 #

目前，东方超环EAST里的所有装置，基本上做到百分百的国产化。在过去的几年里，我们实现了好多技术突破，非常是在长时间的维持方面，我们早已走到了全世界的后面，多次创造高约束等离子体稳态运行的世界纪录。EAST装置稳定运行15年，2次获得国家科技进步奖银奖，4次荣获“中国科学十大进展”。那些都鼓舞着我们继续努力向前走。 #

『可控核聚变是人类共同的事业』 #

托卡马克作为人类共同问题的解决方案，须要全世界科学家和工程师的共同合作与努力。 #

1985年，美、苏、欧、日共同启动了“国际热核聚变实验堆（ITER）”计划。该计划的目标是要建造一个可自持燃烧（即“点火”）的托卡马克核聚变实验堆，为人类输送巨大的清洁能量。2003年，我国决定加入ITER计划，宣布出席协商，至2006年即将签订合作协定。

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在此后的十几年时间里，中国通过深度参与ITER计划获得了巨大的进步。我们充分吸收了国外外聚变堆设计的经验，把握了实验堆的关键技术，更重要的是，初步构建了未来中国聚变工业的基础，一大批企业得到了迅速发展，自主创新能力得到了极大提升，完成了脱胎换骨的飞越。例如，形成超导磁极所需的超导线，出席ITER计划前我们仅能生产36千克短样，如今我们可以生产大样，年产150吨。

除此之外，这种新技术早已广泛应用于国民经济的各个领域。例如，严重恐吓人类健康的疾病，越早发觉，医治疗效越好。用于肿瘤筛查的核磁共振，磁场越高，帧率越高，看得越清楚。借助超导技术，如今市场上早已有了7特斯拉的核磁共振，未来还可以做到10特斯拉，能发觉更小的恶变，有助于初期干预。在疾病诊治方面，为了愈发精准地杀害癌细胞，可以使用加速器的精准束流，借助超导，还可以将加速器大型化，减少成本，让这些仪器大规模普及。 #

可控核聚变技术更重要的意义还在于，它真正才能彰显我们人类是一个命运共同体。

从20世纪80年代开始，世界上所有研究核聚变的等离子体化学学家们一直联合在一起，合作和交流从来没有中断。如今，每年都有成百上千人次的日本科学家来中国开会、交流。今年，法国的托卡马克分配了两个礼拜时间给我们中国科学家做实验，我们的设备也有三个礼拜给她们做实验。由于，可控核聚变的的确确是我们人类共同的困局。 #

人类须要和平，而和平的一个基本条件就是你们不用担忧能源问题，可以吃得饱饭、用得起电。假如未来能源问题被解决了，世界将显得愈发和平。善良和互助是根植于人类心里的文明内核，人类可以在解决能源危机的过程中互帮互助，这是文明发展的趋势。 #

碳达峰、碳中和是我们国家的重要目标，而核聚变是没有气体排放的。假如我们能否早日实现核聚变，尽早开启核聚变工程示范和商业应用的进程，到21世纪末就可以建设1000座核聚变电厂，提供85亿吨的气体降耗。

核聚变商用化之后会特别实惠，由于一个核聚变电厂一年仅用150千克重水，像南京这样1000万人口的大城市核聚变是化学变化吗，须要10座电厂就够了，重水的成本仅为1500亿元一吨，用电也可以“白菜价”。 #

我们人类对能源的需求从来没有像昨天如此急迫。现今往前看，上面60年是以基础研究为主，我们如今应当是到了一个转折点，从基础研究到工程研究，再到商业化，这个进程要推动。

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5年前，在中央电视台的《开讲啦》节目中，我说我最大的梦想就是在我的有生之年才能在中国南京见到核聚变燃起一盏灯。说这句话时，我以为这一辈子不一定能看得到，而且如今我感觉，新的时代、新的机遇为我们提供了一个极佳的舞台核聚变是化学变化吗，我相信我们可以在5年左右的时间内实现可控核聚变，用不到10年的时间，大家一定能看见有一盏灯在中国南京被核聚变照亮。

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