步入2020年，又一項世界奇蹟將在中國誕生！近日，中國核工業集團宣布，新一代可控核聚變研究裝置“中國環流器二號M”（HL-2M）預計在今年投入運行。核聚變產生能量的原理與太陽發光發熱相似，因此在地球上以探索清潔能源為目的的可控核聚變研究裝置，又被稱為“人造太陽”。“中國環流器二號M”是我國新一代的可控核聚變研究裝置，它猶如一顆“人造太陽”的雛形，將通過進一步的實驗、優化，最終助推“人造太陽”的誕生，人類對終極能源的追求迎來了新的曙光。
“人造太陽”？聽起來非常不可思議，因為人類迄今也未能真正觸及太陽的全貌，創造一個太陽聽起來就像天方夜譚。其實，“人造太陽”並不是在天空中添一個太陽。核聚變產生能量的原理與太陽發光發熱相似，因此在地球上以探索清潔能源為目的的可控核聚變研究裝置，又被稱為“人造太陽”。
2004年8月在“中國核事業50年成就展”上展出的中國環流器二號M（HL-2M）（圖：中新社）
核能的產生主要源於核裂變與核聚變兩種方式。核裂變是重金屬元素的核子通過裂變反應，釋放出能量。目前地球上建造的核電站，都是以核裂變方式獲得能源。核聚變則是通過兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核，釋放出能量。目前，人類已經成功利用核聚變研發出了氫彈，但那只是作為武器使用，在短時間內爆炸性釋放能量。要開發能被和平利用的“人造太陽”，需要讓核聚變的能量長時間、平穩可控地輸出。
有了原理和設想，接下來就是考驗人類智慧的時候了。科學家們經過嚴謹地討論得出，實現“人造太陽”需要把等離子體即核聚變燃料聚集在一個密閉容器中，再把它們加熱到極高的溫度，以使它們發生聚變反應。
於是，問題來了——極高的溫度是多高？答案是1億攝氏度以上。太陽的中心溫度約為1,500萬度，“人造太陽”內部核燃料即等離子體的溫度要求已經超過太陽中心溫度的6倍。要知道地球上熔點最高的金屬材料——鎢在3,000多度就會熔化，所以在1億攝氏度以上的極限溫度內怎樣才能够把等離子體包裹起來，成為擺在全球科學家面前的難題。
從20世紀50年代開始，美國、英國、前蘇聯等國的科學家想出了用强磁場來約束高溫核聚變燃料，這樣就可以使等離子體懸浮起來，跟周邊的任何容器材料不接觸。至於用什麽裝置來承載燃料，各國科學家們又紛紛提出了磁鏡、仿星器、快箍縮等容器方案。最終，由位於莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等提出的托卡馬克（Tokamak）方案異軍突起，被公認為是探索、解决未來穩態聚變反應堆工程及物理問題的最有效途徑。
托卡馬克是一種可控核聚變的實驗裝置，它是音譯組合自環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、綫圈（kotushka）四個詞匯。顧名思義，托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著綫圈。通電時，托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，等離子體在其內部環繞飛行且不與器壁接觸，等加熱到一定溫度後即產生聚變。
即將在今年投入運行的“中國環流器二號M”，其中心柱約有2層樓高、重約80噸，是目前中國規模最大、參數最高的新一代托卡馬克裝置。“中國環流器二號M”在四川成都組裝完成，由中核集團核工業西南物理研究院等單位承建研製。經過多年的探索升級，“中國環流器二號M”所容載的等離子體體積為中國現有裝置的2倍以上，等離子體電流將從1兆安培提高至3兆安培，等離子體溫度將超過2億攝氏度。
憑藉更加先進的結構和更加出色的性能指標，“中國環流器二號M”積累了在大科學工程裝置設計、建設和運行等方面的寶貴經驗，是中國開展聚變堆核心技術研究不可或缺的實驗平台。它猶如一顆“人造太陽”的雛形，將通過進一步的實驗、優化，最終助推“人造太陽”的誕生。
人類之所以得以在地球上繁衍生息，是因為與太陽的距離堪稱完美。太陽的熾熱沒有灼傷滅絕地球的生物，反而可以源源不斷地向地球供能。所以人們常說，地球上“萬物生長靠太陽”。
那麽，人類為什麼又會有製造“太陽”的想法呢？答案是，因為能源。
這是2018年底拍攝的全超導托卡馬克大科學裝置EAST，是世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克。2018年EAST實現1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破（圖：中新社）
在承載著76億人口的地球，能源已經成為影響人類未來可持續發展的一個重要話題。一方面，石油、煤炭等傳統化石能源不可再生且會導致環境污染。另一方面，風能、水能等新能源的開發利用不够穩定。而核裂變發電，所需的原料資源如鈾等重金屬元素在地球上的含量稀少，且會產生放射性較强的核廢料。嚴峻的能源現狀一直在敦促著人類不斷尋找清潔高效、資源無限的新能源。
核聚變正是拓展人類能源版圖的新“火種”，好比在地球上“播種太陽”。
首先，核聚變反應所需的原料儲量非常豐富。自然界中最容易實現的聚變反應，是氫的同位素——“氘”與“氚”的聚變。氘在水中即可提取，地球表面70%的面積被海洋覆蓋，在海水中就有超過45萬億噸氘。氚則可通過中子與鋰反應生成，而鋰在地殼和海水中都是大量存在的。
其次，核聚變釋放的能量巨大、高效質優。1公升海水裡提取出的氘在完全的聚變反應中可產生相當於300公升汽油燃燒的能量，僅目前地球海水中所蘊藏的氘聚變釋放的能量就足够人類使用上億年。
再者，核聚變能源十分清潔環保、無污染，其產物為氦和中子，不排放有害氣體，也幾乎沒有放射性污染。
最後也是最為重要的是，相比於目前已經發生多次核泄漏而導致人們“談核色變”的核電站，可控核聚變是安全、平穩的。由於聚變反應的等離子體被磁場約束在真空容器內，一旦出現等離子體偏移燒壞容器內壁等情况，可以實現瞬間降溫、停止聚變，所以基本不會造成泄漏等衍生傷害。
取之不盡、用之不竭，安全環保又高效，諸多的性能特點使得核聚變能源長期以來被科學家認為是未來人類的終極能源。而“人造太陽”，正是人類開發核聚變能源的一種獨特方式。
2006年，為解决全球面臨的能源問題，人類開啓了一項宏大的國際大科學工程合作計劃——“國際熱核聚變實驗堆計劃”（ITER）。這一世界上最大的也是第一個真正意義上的“人造太陽”項目，共有包括中國、美國、俄羅斯、歐盟、日本、韓國、印度在內的七方35國加入，覆蓋的人口接近世界總人口一半，足見各國政府和科技界對該計劃的高度重視。
ITER計劃預算總經費100億歐元，其中歐盟承擔40%，其餘6方各承擔9%。計劃預期持續30年，前10年為工程建設階段，後20年將開展運行。自2008年起，ITER項目已經開始在法國南部城市卡達拉舍進行建設，預計2025年將建成ITER第一個國際上的核聚變反應堆，之後將會建示範堆，最後再開展商用。
圖為2006年拍攝的中國環流器二號A裝置，高約10米、重約500噸（圖：中新社）
參與ITER計劃十餘年來，中國共承擔了ITER計劃約9%的研製任務。目前，中國承擔研製的ITER核心部件，無論是在執行進度還是在完成質量方面，均處於七方的前列，且創造了多項技術第一。
可以說，中國的參與不僅推動了ITER計劃的發展，同時也大幅提升了中國自身在核聚變領域的創新能力和研製水平。在加入ITER計劃之前，中國在核聚變領域的投入相對較少，與歐美、日本等國相比落後20年。加入ITER計劃之後，通過利用這一良好的國際合作平台，中國追趕上了國際領先隊列。而現在，中國在核聚變的部分技術領域甚至實現了趕超，有了領跑之勢。
“中國環流器二號M”的誕生就是一個生動的例子。早在1970年，中國開始自主設計、研發投建第一座“人造太陽”實驗裝置——中國環流器一號，直至1984年建成。在中國環流器一號的基礎上，經過重新改建，1994年中國環流器新一號竣工建成。2002年，中國又建成了第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置——中國環流器二號 A（HL-2A）。有了前三座裝置的基礎積累，“中國環流器二號M”在研製過程中積極對接ITER計劃，吸收引進了許多國外優秀的管理模式和經驗，最終使得“中國環流器二號M”成功改造升級。
“中國環流器二號M”正式投入運行後，主要瞄準和ITER計劃相關的實驗內容，著重開展和燃燒等離子體物理有關的研究課題，將為中國參與ITER計劃工作以及自主設計建造未來聚變堆提供重要技術支撑。
事實上，除了參與ITER之外，中國已經有足够的實力開展自身主導的“人造太陽”計劃。2017年12月5日，由中國自主設計和研製並聯合國際合作的重大科學工程——中國聚變工程實驗堆（CFETR），在合肥正式啓動工程設計。
CFETR計劃分三步走：第一階段到2021年，CFETR開始立項建設；第二階段到2035年，計劃建成聚變工程實驗堆，開始大規模科學實驗；第三階段到2050年，聚變工程實驗堆實驗成功，建設聚變商業示範堆，實現人類終極能源的開發夢想。
讓我們共同期待，地球上的“人造太陽”或將在中國發出第一縷光芒！
