2023年8月的一天，一則新聞刷爆了各大板塊：中國人造太陽“環流三號”首次實現100萬安倍等離子體電流下高約束模式運行，是我國可控核聚變事業的一座重要豐碑。“環流三號”應用的是一種磁約束聚變，指的是先加熱燃料，使它成為等離子體形態，再利用磁場，拘束住高熱等離子體中的帶電粒子，使它進行螺線運動，進一步加熱等離子體，直到產生核聚變反應。

說白了，實現100萬安倍等離子體電流下高約束模式運行，就像是為孫悟空研製出了一個金箍，通過念緊箍咒的方式來讓孫悟空行善事而不是任性而為。

世界範圍內，實現磁聚變約束的方法有很多。比如環磁機，又稱託卡馬克。它的工作原理由變壓器引起的電場驅動電流（紅色大箭頭）通過等離子體柱，產生一個極向磁場，將等離子體電流彎曲成一個圓形（綠色垂直圓圈）。將等離子體柱彎曲成一個圓圈可以防止洩漏，並且在一個環形容器內這樣做會形成一個真空。另一個圍繞圓圈長度的磁場被稱為環形磁場（綠色水平圓圈）。這兩個場結合形成一個類似螺旋結構（黑色所示）的三維曲線，等離子體在其中受到高度約束。說白了就是驢拉磨一樣，驢永遠都只會圍繞著磨盤轉圈，再通過磨盤的轉動產出。

上文中提到的等離子體，指的是氣體在極高溫下的狀態。在等離子體中，電子被從原子中剝離出來。失去圍繞原子核運行電子的原子被認為處於電離狀態，並被稱為離子。因此，等離子體是由離子和自由電子組成的。等離子體有接近完美的導電率，也會在磁場的作用下，顯現出各種三維結構，例如絲狀物、圓柱狀物和雙層等，也可以利用磁場來捕捉、移動及加速各種等離子體。孫悟空也是如此，在太上老君煉丹爐裡燒成了火眼金睛，出來以後能一眼看破白骨精。

通常來講，核聚變中常用的單位是兆瓦，也就是MW，比如1991年的時候，歐洲聯合環形聚變反應堆首次進行了受控聚變，產生了大約1.7MW的電力。雖然持續時間僅為2秒，然而這卻是人類清潔能源史上最重要的部分之一。不過在新聞原文中只看到了電流的單位（安倍），而兆瓦是電流與電壓的乘積。這也就意味著，“環流三號”目前所實現的主要是一種控制方法，在輸入電壓後才能被轉換成發電量，也就是反應堆點火，這也是為什麼將其比喻成孫悟空的金箍。

舉一個不太恰當的例子，哪怕是為“環流三號”連上一個常見的5號電池，其發電功率則能達到1.2MW。變相說明100萬安倍等離子體高約束的含金量。

在取經路上的研發

2006年11月，中國、歐盟等七方簽署啟動國際熱核聚變實驗堆計劃協定。該計劃由ITER（國際熱核聚變實驗堆）所推動，集成當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學技術成果，解決大量技術難題。到了2007年，法國開始建造一個500MW的託卡馬克。

在機器裡，等離子體將會被加熱到1.5億攝氏度，比太陽核心的溫度還要高10倍，以進行核聚變反應。與之相對的，機器內的超導磁體溫度則低於零下269攝氏度。這台託卡馬克總共需要約1000萬個零件，從世界各地匯聚到ITER的工地上。1.5億攝氏度是什麼概念？根據後人對《西遊記》的解讀，紅孩兒的三昧真火，也就四、五千攝氏度，反應堆的溫度相當於把三十萬個紅孩兒綁在了一起。

根據ITER的最新報告，這台機器已經完成了50%的組裝，將於2025年12月進行第一階段運行。一旦這台機器完美運行，那麼世界範圍內所有的化石燃料都將被清潔能源替代。

可就像《西遊記》中描述的一樣，孫悟空神通廣大法力無邊，想僅靠一個小小的金箍就將其束縛，那也是癡人說夢。以最基礎的點火為例，如果不能將反應堆溫度加熱至1億攝氏度以上，那麼反應堆將不會發生任何反應。目前主要的加熱手段是歐姆加熱，用高頻放電電離中性氫形成冷的等離子體被沿著環形線圈產生的一個大的極向磁場的電流加熱。雖然上文提到，等離子體有著接近完美的導電率，但也有一定的電阻，電流經過的時候依然會產生熱量。可是等離子體的電阻率是隨著電子溫度的升高而急劇下降的，由此引起歐姆加熱的功率密度也急劇下降，這就限制了歐姆加熱的利用。

另一種方法是高能中性粒子束注入加熱法，是託卡馬克主要採用的一種加熱方法。等離子體加熱所用的中性粒子束一般是用高能中性氖原子束，高能中性粒子不受聚變裝置中磁場的影響， 可直接注入到等離子體中心區一旦中性原子進入等離子體，立即通過電荷交換和碰撞過程，電離成離子這些高能離子被磁場捕獲，再經過與原有等離子體的庫侖碰撞，把能量交給等離子體，從而達到加熱的目的。

但是，離子源中的高能離子束在中性化氣體室中捕獲電子變成中性粒子束的效率隨著粒子能量的增加而急劇下降，如果從離子源中引出負離子束，那麼由負離子轉換成中性粒子的效率隨能量的增加並沒有明顯的下降，這是因為從負離子中分離出多餘的電子要容易得多，因此需要大功率的負離子源。

此外，對中性束加熱效率的一個重要限制是碳和氧雜質的存在由於線圈壁吸留氣體而產生的碳和氧困，其濃度可到1%，中性束和這些雜質之間的電荷交換產生高激發的碳離子和氧離子，由於它們的線輻射而損失能量，從而導致加熱的效率驟減。

正如取經要經曆八十一難一樣，別看可控聚變大路上困難重重，我國核事業從1980年至今早已取得了多個領域的重要研究成果。由於託卡馬克的上述優點，中國聚變研究界幾十年來一直關注託卡馬克等離子體。1980年至90年代中期，先後研製了HT-6B、HT-6M、HL- 、HL-1M等中小型託卡馬克裝置。

我國於1994年和2002年，基於從俄國(T-7託卡馬克)和德國(ASDEX託卡馬克)提供的設備，分別在亞洲科學物理研究所和SWIP建造了HT-7和HL-2A，讓中國一躍成為了第四個有能力開發超導託卡馬克的國家。也正是因此，中國建造出了全球首個託卡馬克-EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，簡稱EAST）。EAST是是世界上第一個具有上下偏濾器的全超導託卡馬克，旨在長脈衝、穩態、高約束模式運行，並已實現101秒高約束模式放電。EAST正在成為世界上重點託卡馬克裝置之一，它可以為未來的設備（包括ITER、CFETR）提供高性能、長脈衝運行場景。

就中國的磁約束聚變事業而言，EAST只是第一步。接下來，我國要實現實現長脈衝高約束模式和穩態運行現代加熱和電流驅動與診斷；通過HL-2M，研究高輔助加熱功率下的高性能等離子體物理。下一步則是開發ITER和CFETR（中國聚變工程試驗堆）相關的關鍵技術。“並非所有流浪者都迷失了道路。”唐僧師徒四人有著明確的指導方針，最終才能抵達雷音寺取得真經。

CFETR 的建設預計將於2030年代完成。CFETR 運營計劃分兩個階段進行。第一階段的目標是實現100-200MW 的聚變功率。這一階段將探索穩態運行和氚自給自足，作為ITER Q=10運行的補充。Q=10是ITER的目標之一，其含義為等離子體中產生十倍的功率回報。

第二期計劃於2040年代完成。而聚變功率為1 GW的託卡馬克CFETR也將在那時進行演示。原型聚變電站（PFPP）計劃於2060年左右建成，這是中國磁約束聚變建立商業聚變電站路線圖的最後一步。從今天看來，2060年還有不到40年，依然要漫長的等待。可是對於可控聚變領域來說，中國的磁約束聚變事業正在飛速發展。

亞洲核電事業發展總部

站在核裂變發電的視角，目前中國核電行業的主要企業共有9242家，2021年註冊企業數量為2327家，2022年已註冊1675家核電企業。也在側向佐證近兩年內我國核電事業發展非常迅猛。需要注意的是，我國核電發電只佔發電總量的5%，而其他發達國家如俄羅斯、英國，他們的核電發電量分別佔發電總量的19.6%和14.2%。誠然，在可控聚變領域，我國的的確確取得了多項重大的突破，可若想實現真正低碳、低排放的清潔能源社會，核電的並網商業化也是不能忽視的一環。

使用聚變發電廠可以大幅度減少世界電力需求增加對環境的影響，因為與核裂變發電一樣，它們不會導致酸雨或溫室效應。鑑於燃料的現成性，聚變發電可以輕鬆滿足與經濟持續增長相關的能源需求。不會有聚變反應失控的危險，畢竟一旦反應失控就相當於無事發生。雖然聚變不會產生長壽命的放射性產物，並且未燃燒的氣體可以就地處理，不過由於結構材料的活化，還是會存在中短期的放射性廢物問題。由於高能中子的轟擊，一些組成材料在反應堆的使用壽命期間會變得具有放射性，並最終成為放射性廢物。顯然，這也是核聚變發電商業化需要考慮的重要一環。

PFPP將會是中國核聚變商業化的第一步，“環流三號”之後還會有“環流四號”、“環流五號”。每一台設備都將會帶來一些突破，最終全面實現我國核聚變清潔能源替代傳統不可再生碳能源的局面。