流浪地球的科学：实际的核聚变技术有望在未来20年出现重大突破

文/ 姜克隽 国家发改委能源研究所研究员

流浪地球的画面恢宏，令人震撼。影片中，一万座驱动地球前进的行星发动机，使用 重聚变发动机 技术。每座推进式发动机高达十一公里，将为地球提供一百五十万亿吨的推力。赤道转向发动机巨大无比，一万座行星发动机全功率开启，驱使整个地球离开太阳系，踏上流浪之旅。容纳35亿人口的地下城，规模巨大。

作为一个能源政策的学者，看电影的时候，也就在想支撑这些巨大设施的能源供应，该是怎样的方式。推进式发动机，驱动地球旅行，需要消耗大量地球的物质，会超过四分之一的地球质量。影片中提到采用重聚变技术，由于 考虑要尽少消耗地球的物质，需要是反物质发动机，目前这种发动机仅是理论上存在。目前可以看到的未来，还只是核聚变技术。 核聚变技术可以利用很少的地球资源，而提供满足巨大能源需求。也是现在能够实际利用的所有能源供应技术中的唯一选择了。

本文作者姜克隽

核聚变 ，即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时可以放出巨大能量。这种能量就可以被利用作为人类的能源供应。核聚变，也是太阳上的能源现象。 核聚变包括热核聚变和冷核聚变两种。 热核聚变，或原子核的聚变反应，参与核反应的轻原子核，如氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应。冷核聚变是指在相对低温（甚至常温）下进行的核聚变反应，目前还只是一种概念性‘假设’。

氢弹爆炸是一种核聚变，但不可控。 如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现可控热核聚变反应。 可控核聚变将非常清洁和安全，是人类未来能源供应的接近最终解决方案。如果核聚变能够成功，并且成本低廉，人类社会的能源供应基本就可以用核聚变来提供了。目前针对核聚变的研究目标就是能够提供低廉的能源供应。在可以预见的地球上人类生存的时间内，水的氘，足以满足人类未来几十亿年对能源的需要。从这个意义上说，地球上的聚变燃料，对于满足未来的需要说来，是无限丰富的。

过去几十年，科学家们已经在进行研究实现可控核聚变。 实现核聚变已有不少方法，最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。 它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近于成功，但要达到工业应用还差得远。要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。

美、法等国在20世纪80年代中期发起了投资46亿欧元的 国际热核实验反应堆（ITER）计划 ，旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，为人类输送巨大的清洁能量。这一过程与太阳产生能量的过程类似，因此受控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳”。中国于2003年加入ITER计划。位于安徽合肥的 中科院等离子体所 是这个国际科技合作计划的国内主要承担单位，其研究建设的 EAST装置 （全超导托卡马克核聚变实验装置）稳定放电能力为创记录的1000秒，超过世界上所有正在建设的同类装置。2018年底，EAST装置实现1亿摄氏度等离子体运行。

中国建造的EAST装置，于2018年底实现1亿摄氏度等离子体运行

世界主要科技国家都在投入进行核聚变研究。 今年初，美国能源部发表了一项研究，美国科学家已经找到了将高能粒子更好的限制在反应器中合理位置的方法。2018年MIT投入3000万美元计划建设世界首座真正意义上的聚变电站，装机容量20万千瓦，计划15年内完成。洛克希德·马丁公司提出的小型化核聚变装置，称10年后就可量产小型化核聚变装置，将为家庭、汽车甚至飞机提供近似无限的能源。

尽管核聚变的研究已经进行了三十多年，但核聚变装置的快速进展出现在近几年。虽然不少人嘲讽核聚变的目标时间一再被延误，但 核聚变仍有可能在未来20年会出现重大突破，进入商业实用。 这已经成为目前国际上发展的重大技术之一。核聚变技术的发展，也会成为各国技术实力和竞争的一个重大领域。在目前美国对中国进行技术封锁的情况下，我国应该大大强化对核聚变的研究投入，成为全球研究核聚变的重要国家。考虑到我国经济实力的快速增长，可以将每年对核聚变研究的投入提高到200亿元以上，争取15年内实现大型核聚变装置的实际运行。

尽管大家对核电的发展还有疑虑，但是 核电是目前最为安全和清洁的发电方式之一 。目前我国核电发展再次进入正常轨道，也使得新一代核电技术的发展有了更好的空间。第四代核电技术和核聚变技术的研究需要加速。

我们的努力可以改变世界，使得流浪地球影片中的基础技术得以实现。这样的研究对人类社会意义重大，我国应该扮演核心角色。在可以预见的中国经济发展格局下，我国有能力进行这样的重大科学研究，而且负担不大。

人类的前行，中国走在前列。