
中科院合肥物质科学研究院正式公布:我国自主研发的聚变堆环向场超导磁体,已经顺利完成全流程研制与验收,核心零部件做到了100%国产。这个磁体的体量有多大?它长21米、宽12米、高3.3米,总重量达到了582吨。
582吨究竟是怎样一个概念?简单来说,这相当于300辆小汽车叠在一起,被塑造成了一个"甜筒"状的铁制构件。在当前全球范围内,这已是尺寸最大的聚变堆超导磁体,没有任何一个能超过它。
●♦首先明确:什么是"人造太阳"?
多数人虽常听提及"人造太阳",却未必清楚它具体用途。概括来说:太阳之所以能够发光发热,是由于其内部氢原子在极端高温高压下实现聚变,进而释放出巨大能量。人类尝试地球上复现这过程,便是核聚变。
燃料是氘和氚。氘能够从海水中提取,1升海水中的氘通过聚变释放的能量,就相当于300升汽油燃烧产生的能量。地球上的海水足够使用几十亿年。这个反应过程是否会产生核污染?不会。核聚变不会像核裂变般产生长寿命放射性废料,也不会发生堆芯熔毁事故……反应条件非常苛刻,哪怕出现极其微小的失控,反应也会自动中止。
核聚变被誉为"终极能源":燃料取之不竭,过程清洁安全,能量密度极高。谁能掌握可控核聚变,谁便掌握了未来几千年的能源命脉。
●♦何以如此艰难?
理论看似简单,实践却是登天般困难。太阳内部温度高达1500万度,其强大引力能束缚等离子体。在地球上,缺乏这种引力条件,必须另寻他法。
当前主流方案是"托卡马克"装置……在一个环形真空室外围缠绕超导磁体,依靠强磁场来约束上亿摄氏度的等离子体。
上亿度意味着什么?钢铁早已气化上百次了。任何常规材料一旦接触等离子体,瞬间就会被熔穿。唯有用磁场将其"托举"于空中,使其与任何器壁都不接触。这如同施展魔法般控制,又似用无形的绳索,控制一头狂暴的野兽。绳索必须足够坚韧、足够稳定、绝不能断裂。这个超导磁体,正是充当那根"绳索"。
●♦此次突破关键点?
此次通过验收的环向场磁体,是托卡马克装置中极为核心的部件之一。它的职责是产生环向磁场,约束等离子体沿环形轨道运动,避免高能粒子轰击真空室器壁。难度如何?下面详细说明。
■材料难题。超导材料需要在极低温环境下工作,同时承压强磁场、高电流、巨大机械应力。过去这类特种超导材料长期被欧美日企业垄断,国内要么买不到高端产品,要么价格极其昂贵。此次磁体采用的特种不锈钢、绝缘材料、超导材料,全部实现国产,100%自主可控。
■尺寸难题。这个磁体长21米、宽12米、高3.3米,体积是国际热核聚变实验堆(ITER)同型号磁体的1.3倍,储能则达到对方的3倍。尺寸越大,加工精度要求越高。哪怕存在微小缺陷,在强磁场和极低温条件下也会被显著放大,导致磁体失效。
■磁场强度难题。16个完全相同的磁体组合成一个环后,运行电流达100千安,中心可产生6.5特斯拉的磁场。6.5特斯拉意味着什么?医院核磁共振的磁场强度通常是1.5至3特斯拉,这相当于两三个核磁共振叠加的强度,需均匀分布在一个几十米大的环形空间内,对均匀度要求极高。科研团队从设计、预研、研制到测试,足足耗费了6年时间。
结果出来了:各项性能指标全面超越国际同类产品,全球尺寸最大、储能最高的全超导磁体,如今诞生于中国。
●♦不只这一项。
另一套核心部件也传来佳音。高温超导中心螺管线圈磁体,已成功完成满工况参数测试。这个磁体的功能是感应、驱动等离子体电流,并动态调整等离子体的约束形态。如果将环向场磁体视为"笼子",那螺管线圈便是"缰绳",负责调控等离子体的运动状态。
实测数据:稳定载流60千安,储能量6.03兆焦,核心性能已达到国际顶尖水准。同样,从超导材料、结构设计到成套制备工艺,全部实现国产化。两套核心超导磁体在同一天通过验收,这证明我国在聚变堆关键系统上,已成功打通从材料到部件的全链条自主研制能力。
全球核聚变研究已持续数十年,当前规模最大的国际合作项目是ITER(国际热核聚变实验堆),选址法国南部,由中美欧日韩俄印七国共同参与。
但ITER进展迟缓,预算屡次大幅超支,完工时间一拖再拖,目前预计最早要到2035年才能开展氘氚聚变实验。
中国这边,在参与ITER的同时,也在推进自身的聚变工程化路线。此次通过验收的磁体,属于"聚变堆主机关键系统综合研究设施"(CRAFT),旨在为未来的中国聚变工程实验堆(CFETR)提供技术储备和工程验证。
实际上,我们不仅在做实验,更是在为真正的聚变发电站奠定基础。
2026年被业界称作"核聚变工程化元年"。国内在建、规划的聚变装置总投资规模已突破1400亿元。多家科研院所集中启动设备招标,超导材料、真空腔体、偏滤器等核心部件订单纷纷下达。从实验室迈向工程化,从科研转向产业化,这关键一步已经踏出。
●♦未来有多远?
坦白说,可控核聚变距离商业发电仍有一定距离。业内普遍预测,到2035年前后才可能建成示范电站,而真正商业化发电或许还需等到2040年以后。
但这并不表示现在的突破毫无意义。每一次关键部件的国产化,都在缩短商用距离。从技术受制于人,到100%自主研制;从跟跑,到部分指标领先;从实验室微型装置,到582吨巨型磁体……这条路历经数十年,每一步都值得肯定。终极能源的争夺赛,才刚刚拉开序幕。