合肥的“人造太阳”：中国破纪录的磁体为何并不意味着无限的电力供应
中国已组装出世界上最大的超导热核线圈。我们将探讨这将带来哪些改变，以及为何距离实现超导核能发电仍需数十年时间。
每隔几个月就会从中国运来。 这个消息 标题依旧是：“人造太阳”再创纪录，人类或许在2030年就能获得源源不断的廉价能源。这里的“太阳”一词固然美好，却也具有误导性。真正的太阳依靠自身引力维系着炽热的等离子体，数十亿年来它并不急于运转。而在地球上，同样的等离子体却需要借助磁场被束缚在一个钢制“甜甜圈”里——而这部分磁场工程，恰恰是整个人造太阳系统中成本最高、却又最被低估的部分。 故事我们来聊聊她吧。
从T-3到带电流的甜甜圈：托卡马克装置的起源
“托卡马克”一词源于俄语，是“带有磁线圈的环形室”（Toroidal Chamber with magnetic coils）的缩写，起源于20世纪50年代末60年代初苏联的受控聚变研究。关于聚变概念本身的历史——从最初的计算到氢弹的研制——我们暂且不谈，因为这早已是众所周知的事实。我们感兴趣的是另一个方面。
托卡马克装置决定了很多事情。 T-3 在莫斯科库尔恰托夫原子能研究所，到20世纪60年代中期，该装置在等离子体约束时间和参数方面取得了显著优于其他任何约束装置（如开放式磁阱、仿星器和箍缩装置）的成就。由于不同文献中给出的温度数据差异很大，我们在此仅作定性描述：其结果远胜于其他同类装置，以至于最初在国外都难以置信。
苏联库尔恰托夫原子能研究所研制的托卡马克T-3型热核装置
1969年，事情有了最终的结局。一群来自卡勒姆实验室的英国物理学家受邀带着他们的激光（汤姆逊）散射设备来到T-3装置。当时，这种设备是测量等离子体电子温度最可靠、也最独立的测量方法。英国人抵达后进行了测量，并证实了苏联的数据。此后，怀疑之声逐渐消散，取而代之的是一场竞赛：普林斯顿、卡勒姆和其他研究中心相继开始建造自己的托卡马克装置。莫斯科设计的装置成为了全球标准，并沿用至今。
以下讨论的一切都以此标准为基础：国际实验反应堆 国际热核实验堆 在法国，中国是全面参与者之一，中国有自己的一套设施体系，我们现在要攀登这套体系。
磁性瓶子里到底装的是什么？
几乎所有托卡马克装置的设计都基于两种重氢同位素——氘和氚的聚变反应。每次聚变反应都会产生一个氦核、一个快中子和大约 17,6 MeV 能量方面，单个铀核裂变产生的能量更多——大约200兆电子伏特——但铀核的质量也大得多。因此，聚变还有另一个优势：单位质量燃料产生的能量显著更高，而所需的燃料却微乎其微。为了使原子核克服相互排斥而聚集在一起，等离子体必须被加热到100亿至15亿摄氏度。这比太阳中心的温度高出数倍——顺便一提，太阳中心的温度“仅仅”约为150万摄氏度。恒星通过巨大的压力来弥补温度的不足，而这种压力在地球上是无法实现的。
用物质壁来约束这种等离子体是不可能的——任何物质壁都会蒸发。因此，它需要用磁场来约束：带电粒子沿着磁力线旋转，避开腔室壁。约束效率通过劳森判据来评估——它是三个量的乘积：等离子体密度、温度和能量约束时间。一旦这个乘积超过某个阈值，聚变反应就能够自持进行：反应开始自我加热。
能量平衡是单独计算的——系数 QQ 是反应释放的能量与加热输入能量之比。Q = 1 表示加热输入能量等于接收的能量。这对于电力工程来说是一个美好的概念，但却毫无实际意义：它没有留下任何“余量”来弥补涡轮机、冷却系统以及电厂自身运行过程中的损耗。一座发电厂需要大约 10 的 Q 值才能弥补这些损耗。ITER 的目标是 Q ≈ 10。
这就是新闻报道中主要的误导之处。中国装置的记录是关于燃料储存量的，而不是产量。托卡马克 东 2025年1月，合肥托卡马克装置将等离子体维持在高约束模式下1066秒——接近18分钟，创造了持续时间最长的世界纪录。此前，在另一种模式下，该装置（EAST）以温度而非持续时间为重点，将等离子体加热至约1.2亿摄氏度，并维持了约100秒。这两项成就各有不同：一项是持续时间上的突破，另一项是加热方面的卓越表现。 HL-2M 在成都，等离子体柱中的电流超过了2,5兆安。这些都是物理学和工程学领域的杰出成就。但这两台装置都使用氘作为燃料；它们不使用氚，也不追求高Q值，而且没有一瓦的电力并入电网。它们并非小型发电厂，而是用于研发如何长期稳定维持等离子体的试验平台。
合肥磁体：582吨超导体
2026 年夏天，在合肥进行了一项测试，这项测试引发了关于“人造太阳”的新一轮讨论：这是为该项目测试的世界最大超导环形磁体。 手艺 （聚变技术综合研究设施）。其规模十分庞大： 长21米，宽12米，重582吨磁铁的作用是产生与环形磁场相同的磁场，该磁场可以将加热到一亿度的等离子体束缚在环中。
为了进行比较，该研究所引用了与ITER环形线圈的比例：中国磁体的尺寸大约是ITER的1,3倍，磁场中储存的能量是ITER的三倍（这是磁体本身的特性，而非未来反应堆的功率）。与此同时，他们测试了高温超导中心螺线管——“点火器”——它负责产生和维持等离子体电流，并实时调整其形状。该螺线管的设计电流为46,5千安，但实际承受了60千安的电流——远超设计值。
这些数据表明两点。首先，中国已研发出高度国产化的反应堆级磁体——特种钢材、绝缘材料和超导线材均在国内生产。这意味着该装置最昂贵的部件无需进口。其次，这也解释了为什么需要建造更多ITER装置。磁场越强，相同体积内可容纳的等离子体密度越高、温度越高，因此，未来反应堆的潜在功率也就越高。
但需要注意的是，磁体的确解决了工程上最棘手的难题之一，但它仍然是任何聚变电站预算中最昂贵的部件之一，而破纪录的尺寸并不会降低成本。
“80%的任务已完成”以及2030年的电力供应：这些数据从何而来
在社交媒体和大众媒体上，围绕 CRAFT 磁体很快形成了一种说法：中国已经“解决了大约 80% 的最复杂工程问题”，并将“在 2030 年前”提供取之不尽的能源。让我们来分析一下。
权威来源并未包含此类措辞。原子能网站atomic-energy.ru援引等离子体物理研究所的说法，称磁体是关键部件——并在同一篇文章中明确指出，商业聚变发电仍遥遥无期，下一步——建造示范反应堆——也需要多年时间。《南华早报》援引中国研究人员的说法，将反应堆的完工归功于…… CFETR 预计到 2035 年左右，商业发电将于 2050 年开始。国际原子能机构 2024 年的审查也设定了同样的总体目标：如果 ITER 和示范项目取得成功，那么首批商业核电站将在 2050 年代建成。
让我们仔细看看这一切的核心——中国聚变工程试验堆（CFETR）。它是一座设计完成但尚未建成的桥梁，连接着实验装置和实际发电厂，分两个阶段进行设计。第一阶段：聚变功率50-200兆瓦，Q值1-5，氚增殖率略高于1，中子对材料的损伤约为10 dpa。第二阶段：输出功率超过1吉瓦，Q值大于10 dpa，损伤约为50 dpa——已经与一座全尺寸的DEMO示范电站相当。
“80%”这个数字指的是CRAFT项目参与者所作的声明，描述的是他们在特定子系统（主要是磁体）方面取得的进展，而非整个热核聚变任务的进展。尽管磁体和部分系统已经取得了显著进展，但其他所有问题仍未得到解决：材料、氚循环、冷却和经济性。决定聚变能否最终应用于工业电网的，并非磁体本身，而是这些因素。
无人跨越的墙：材料、氚、资金
在这些令人瞩目的成就背后，隐藏着许多世界上尚未有人解决的问题——无论是在中国，还是在 ITER 联盟中。
第一： 物料反应中产生的中子轰击反应室壁、偏滤器和包层，使原子从晶格位置脱离。这种破坏程度以dpa（每个原子的位移次数）来衡量。CFETR第二阶段规定的50 dpa剂量水平意味着，在其使用寿命期间，材料中的每个原子平均会被位移50次：金属会膨胀、变脆并失去导热性。目前有一些候选材料——耐热铁素体-马氏体钢、弥散强化合金——但尚无任何一种材料获得过如此剂量的认证。CFETR将测试这些材料的性能，而这需要数年的测试。
第二： 氚第二种燃料组分在自然界中几乎不存在，且衰变迅速，因此必须在反应堆内直接生产。等离子体被锂增殖包层包围：快中子撞击锂包层会产生氚。设计要求增殖比大于1，以确保反应堆产生的氚量至少与其消耗的氚量相等。其物理原理清晰明了，但世界上还没有任何反应堆能够实现完整的工业循环。这个循环十分复杂：氚必须经过生产、提取、提纯，并安全地返回等离子体——所有这些过程都伴随着可渗透多种材料的放射性气体。
第三： 钱为数不多的独立详细成本估算之一是林德利发表在《2023年能源政策》上的研究。他模拟了托卡马克发电厂的具体发电成本，考虑了资本支出、磁体、反应室以及辐照部件的定期更换。早期项目的成本超过每兆瓦时150美元；随着技术进步，成本将降至50-100美元。即使是最低成本，也与风能、太阳能和现代核裂变发电厂目前的发电量相当甚至更高。而且，这还没有考虑到一个棘手的问题：在辐射通量的作用下，包层和偏滤器会老化，需要定期更换——这意味着需要关闭电厂并处理放射性部件。建造一次就能无限期免费供电的装置的想法与此估算无关。
热核聚变的物理潜力依然存在：海水中的燃料可以持续地质年代，反应能量也极其巨大。但“取之不尽用之不竭”和“廉价”指的是不同的阶段，后者实现的时间要比前者晚得多。
热核聚变在中国能源领域处于什么阶段？又有哪些领域尚未应用？
所有这些都应该结合中国的实际计划来看待。中国在2020年公布了其官方政策：到2060年实现碳中和，到2030年实现相当比例的电力来自非化石燃料。关键不在于核聚变，而在于发展成熟的核裂变发电技术。中国有能力同时建设多达50个核裂变项目，此外还有风能和太阳能发电。
在这种情况下，聚变是一种长期选择，关乎技术自主权，而非能在2030-2040年重塑能源格局的工具。目前尚无公开的国家级聚变发电占比预测（以吉瓦为单位），以预测本世纪中叶聚变发电的具体份额。聚变发电的可能作用并非取代可再生能源发电，而是为其提供补充：提供稳定的基础负荷电力，使其独立于风能和太阳能。
中国已经掌握了点燃等离子体并维持近18分钟的技术。这是这项任务中最引人注目的部分，但远非最困难的部分。更棘手的部分——材料、氚以及每千瓦时的成本——进展缓慢，也鲜少出现在新闻稿中。到本世纪中叶，聚变技术很可能从示范项目过渡到能源系统的一部分。但届时，它的成本也不会“无限低廉”。
信息