中國EAST的突破縮短了通往核聚變的道路 

一、核聚變的發展對人類未來前途至關重要 

   當人類進入太空後發現只有太陽能及核能可使用，而太陽的能量也是來自於核聚變(融合)反應，在物理上，核裂變或核聚變都會放出巨大的能量，核聚變的原料可從海水中氫的同位素氘獲得，可以無限量供應，但核聚變的控制技術很難，所以核能的應用需要循序漸進，一般分為核分裂、快滋生及核融合三步驟，核聚變是全世界能源發展的前沿方向，關係著人類文明是否能延續。所謂人造太陽就是以超導磁場約束離子，通過能波加熱，讓等離子氣體達到上億度的高溫，發生核聚變的裝置，就像太陽一樣能為人類提供源源不斷的能量。托卡馬克裝置是一種核聚變反應器，其概念從 1950 年代開始成形，並由蘇聯科學家命名，為俄語「環形真空磁線圈」的縮寫。托卡馬克裝置是一個環狀甜甜圈，在其中極高溫的電漿被磁場約束和加壓，以進行核融合反應。國際核聚變實驗堆（ITER）計劃於2006年誕生，ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克，由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度七方參與，包括了全世界主要的核國家，在法國南部普羅旺斯地區共同建造一個電站規模的聚變反應堆，也是世界上最大的托馬克裝置。ITER是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科技合作項目之一，凝聚了國際聚變界多年來的研究成果，以及國際聚變界的技術力量。中國承擔了大約9%的採購包研發任務，參與計劃科學家的平台、技術和發現是共享的。 

    中國的東方超環EAST 是中國自主設計建造的核聚變實驗裝，其主機高11米、直徑8米、重達400噸。率先實現一億度的超高溫，很早就實現了101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體運行，在核聚變實驗中一直保持著領先。2021年5月28日，全超導託卡馬克核聚變實驗裝置創造了可重複的1.2億℃的高溫，並且持續了101秒，同時還實現了1.6億℃持續20秒的運行。全超導託卡馬克裝置是一種利用磁約束和真空絕熱來實現受控核聚變的環形容器，運行原理就是在裝置的真空室內加入少量氫的同位素氘或氚，再通過物理方法使其變成高密度和高溫條件下的等離子體，進而發生聚變反應產生強大的能量。另外，中國還參加了國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER），還在建造中國聚變工程實驗堆（CEFTR），預計將在2050年建設成為可控核聚變商業示範堆。世界上規模最大的核聚變反應堆歐洲聯合環狀反應堆（JET）中產生了能量輸出為59兆焦耳的穩定等離子體。ITER設施目前正在法國南部的卡達拉奇建設，預計將使用氘和氚混合燃料，計劃實現產出能量10倍於輸入能量（聚變增益）。要想產生淨能量，即輸出能量是加熱等離子體所需能量的兩倍這一目標，在卡達拉奇ITER設施上線前是不可能實現的。德國馬克斯·普朗克等離子體物理學研究所科學主任西比勒·君特教授表示：“JET的最新實驗是向ITER最終目標邁出的重要一步。” 

二、亞洲時報盛讚中國EAST的成就 

    亞洲時報喬納森·坦南鮑姆2023年5月11日的文章盛讚中國先進超導託卡馬克實驗裝置EAST的成就，中國已躋身於國際磁約束聚變研究的前沿。位於合肥的 EAST 反應堆利用強大的磁場將熱等離子體限制在其環形真空室內，能夠在與氘氚燃料聚變所需的溫度範圍內正常運行。2023年4月12日，EAST 首次成功地在稱為“H 模式”的動態狀態下維持 1 億攝氏度的等離子體超過 6 分鐘，其中“H”代表“高限制”。長期以來，這種特定的等離子體狀態一直被認為特別有利於託卡馬克裝置中等離子體的穩定限制。目前正在法國建造的巨型國際環形實驗反應堆 (ITER) 預計將以“H 模式”運行。ITER 聲稱這是通往基於托卡馬克設計的聚變電廠原型的最後一步。早些時候，在 2021 年 12 月 30 日，EAST 打破了之前所有的限制時間記錄，在相同溫度範圍內保持等離子體超過 17 分鐘。這在一定程度上要歸功於發現了一種迄今未知的等離子體狀態，中國科學家稱之為“超 I 模式”。可以想像，“超 I 模式”——或未來可能發現的其他模式——可能被證明在託卡馬克裝置實現聚變方面優於 H 模式。自2006年以來，EAST在解決長脈衝運行相關的關鍵技術和物理問題上取得了一個又一個輝煌的里程碑。雖然 EAST 並非旨在產生大量聚變反應，但它對國際聚變努力以及中國建造自己的大型聚變反應堆的項目——中國聚變工程試驗堆 (CFETR)——做出了重要貢獻，現在處於設計階段。高溫等離子體是各種不同類型的波、振盪和復雜粒子流的發源地，在對外場的反應中，它們可以產生強大的內部電流、電場和磁場；它們在廣泛的共振效應下發射電磁輻射。尤其重要的是，它們具有非凡的自我組織能力，這使得它們在某些方面難以控制。 

    太陽由核心溫度估計為1000 萬度的等離子體組成，由引力聚集在一起。我們可以稱太陽和恆星為“重力約束聚變反應堆”。在地球上持續限制等離子體的最佳且可能是唯一的實用解決方案是使用強大的磁場將其懸浮在真空室內，這一過程稱為磁約束，構成等離子體的帶電粒子被磁力線捕獲。托卡馬克裝置是由蘇聯物理學家安德烈薩哈羅夫和伊戈爾塔姆於1950 年發明。托卡馬克裝置的環形真空室很容易辨認，真空室周圍環繞著一系列磁性線圈，這些線圈在室內部產生螺旋形磁場線。自從 1958 年第一台實驗性託卡馬克裝置在蘇聯開始運行以來，全世界已經建造了大約 185 台託卡馬克裝置，正在法國 Cadarache 建設的 ITER 預計將在 2035 年完成。事實上，ITER 目前預計將實現至少 10 的“Q 值”，這意味著至少 10 倍的能量將被釋放聚變反應釋放的能量比通過加熱系統注入等離子體中的能量要多。ITER 本身並不是為了發電而設計的，而只是為第一個原型發電廠“DEMO”提供最後的墊腳石。在這種情況下，重要的是要強調實現 Q > 10 本身可能不足以實現可行的發電廠。除了成本之外，不僅要考慮等離子體水平的輸出/輸入比，還要考慮工廠中所有系統消耗的電能，還要考慮大量不可恢復的熱損失和其他因素。ITER 很有可能利用中國 EAST 和其他實驗的持續成果以及好運氣，獲得更高的 Q 值，從而提高基於 ITER 基本設計的可行電廠的前景。另一方面，不能完全排除不可預見的困難可能會阻止 ITER 實現其預期目標。   

三、中美爭相在月球建核電站 

    依科技日報報導，中美頻頻放話要登陸月球並建立有核電站的月球基地，目前的載人航天主要能源有3類：太陽能、化學能以及核能。隨著未來太空探索任務需求日益提高，以及太陽能、化學能在深空探索任務和星表探索任務中的局限性，必須依靠以核反應堆為基礎的核能源。美國國家航空航天局（NASA）和美國能源部計劃在月球和火星建造核電站，以支持其長期探索計劃。阿波羅12號使用的月面實驗儀器就是由放射性同位素熱電機供電的，它標志著人類首次在月球上使用核電係統。中國航天科工公司研究員楊宇光稱在太空使用核能面臨著散熱的難題，出于散熱和降溫的考慮，很多地面核反應堆都建立在有水的地方。而在月球上只能依靠很大面積的輻射散熱器給核反應堆散熱，這不僅會增加成本，而且會提高技術難度。由於太空的廣闊，執行比木星更遠的太空任務的探測器幾乎都使用過放射性同位素溫差發電機，而它們都是用鈽-238作為電源，“自由生物安全”公司首席醫療創新官喬斯·莫瑞博士則表示，即使這一設施在月球發生事故，給地球造成的風險也很小，因為大氣層會將致命的輻射阻擋在外層空間，保護地球。 

　　他指出，核反應堆電源的功率大、能量密度高，相比其他電源具有較高的功率質量比，可在太陽能、風能和水力發電不易獲得的環境下工作。例如，火星上周期性的沙塵暴可能會持續數月、而月球上永久陰影的隕石坑內沒有陽光，這些情況下都難以利用太陽能。此外，月球南極現在是研究熱點，因為此處有永久光照區，在這裏可以利用太陽能，但如果科學家們想在月球表面低緯度地區建立科考站，那將面臨長達14天的月夜，最好的解決辦法就是建立核反應堆來提供能源。而且，我們必須加大研發力度，將來開發出兆瓦級的核反應堆設施，如此才能將我們更快帶往宇宙更深處。