燃起来了！燃烧等离子体是什么意思？…

燃起来了！燃烧等离子体是什么意思？ | 袁岚峰#微博视频号续航计划# 向大家推荐一家著名的科普杂志，它叫做《科学世界》，由中国科学院科学出版社主办，制作精美，声誉卓著。他们邀我开了一个专栏，从2025年1月开始。下面来介绍我在《科学世界》2026年1月刊的文章，标题是《燃起来了！燃烧等离子体是什么意思？》（）。2025年11月24日，有一条重大新闻：中国科学院燃烧等离子体国际科学计划项目正式启动，并面向国际聚变领域，发布紧凑型聚变能实验装置BEST研究计划。来自法国、英国、德国、意大利、瑞士、西班牙、奥地利、比利时等10多个国家的聚变科学家，在合肥未来大科学城BEST装置大厅共同签署《合肥聚变宣言》（）。大多数人看到这个消息，都会十分振奋，感觉离可控核聚变的梦想又近了一步。但在此之上，要理解其中的术语就有点难度了：燃烧等离子体是什么意思？紧凑型是什么意思？BEST是什么的缩写？……实际上，BEST的全称是Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak，即燃烧等离子体实验超导托卡马克。之所以要强调燃烧等离子体，正是因为以前没有燃烧。而紧凑型聚变能实验装置其实是BEST的定位，紧凑是相对于国际热核聚变实验堆（ITER）而言。下面，我们来稍微详细地解读一下。首先，什么是核聚变（nuclear fusion）？核聚变就是一些小的原子核聚合成一个大的原子核，例如氢（H）原子核聚变成氦（He）原子核。相反的过程叫做核裂变（nuclear fission），即一个大的原子核分裂成几个小的原子核，例如铀（U）原子核裂变成钡（Ba）和氪（Kr）的原子核等等。核聚变与核裂变不是化学反应，而是核反应。然后，核聚变为什么重要？显然，这是因为核聚变能够放出巨大的能量。不过，如何度量“巨大”呢？这就不是那么显而易见了。一个统一的指标，是单位质量反应物放出的能量，核聚变会比化学反应高出好几个量级。在这里，我还建议采用另一种等价而更加直指本质的指标：质能转换效率，即反应前后的质量亏损比例。这个指标来自爱因斯坦的质能方程，E = mc2。这个方程堪称整个物理学甚至整个科学中最著名的方程，几乎所有人都听说过它，但大多数人可能都不知道它是怎么推出来的。在这里只需要说，质能方程是狭义相对论（special relativity）的一个结论，要理解它首先要学习狭义相对论。有趣的是，虽然质能方程的推导有些难度，但它的意义却非常容易理解。这个方程说的就是，一定的能量必然对应一定的质量，一定的质量也必然对应一定的能量，两者的比例系数是光速（c）的平方。由此可以推出，如果一个反应前后质量降低了，那么这个反应必然放出能量，这个能量的数值就是质量的损失乘以光速的平方。反之，如果一个反应前后质量升高了，那么这个反应必然要吸收能量。因此，质量亏损越高，放出的能量就越高。让我们来举些例子。氢气跟氧气反应生成水（H2 + 1/2 O2 → H2O）的质量亏损是多少？……且慢，且慢，许多人立刻就会表示反对：化学反应的质量不是守恒的吗？！在初中刚开始学化学的时候，就学过质量守恒定律。因此，许多人会认为，化学反应没有质量亏损。那化学反应为什么会放出能量呢？他们会说，质能方程不适用于化学反应，只适用于核反应。但实际上，这种观点完全是削足适履。根据狭义相对论，不要说化学反应了，即使只是给一个物体加速或减速，都会使它的质量发生变化。所以正确的理解是，狭义相对论是个普适的理论，质能方程对所有现象都适用，包括化学反应在内。为了充分理解这意味着什么，让我们来计算一下氢氧反应的质量亏损。1摩尔（mol）氢气加0.5摩尔氧气生成1摩尔水，放出能量242 kJ。这个数值在化学反应中属于非常高的，甚至可以用来驱动火箭。但由于光速的数值很大（将近30万公里每秒），这个能量除以c2之后就会变成一个很小的质量。结果是，氢氧反应的质量亏损比例只有1.8 × 10^-10，或者说百分之1.8 × 10^-8。这是个微不足道的比例，甚至可能都测不出来。因此，对化学反应我们仍然可以用质量守恒定律，但应该明白，它归根结底是个近似的定律，而不是精确的定律。什么定律是精确的？能量守恒定律才是个精确的定律。正是由于能量守恒和质能方程，才会推出，任何有能量变化的反应必然伴随质量变化，所以质量守恒定律不是个精确的定律。相比之下，核裂变的质能转换效率就非常高了。目前我们在核电站中用的都是核裂变，而其中最常用的核燃料是U-235。U-235的裂变反应，质量亏损比例大约是0.09%。这比氢氧反应的比例高了6个量级，已经是很明显可以测出来了。这意味着，同样质量的反应物，U-235裂变放出的能量比氢氧燃烧放出的能量高百万倍。因此我们参观核电站时，经常会听说，一卡车的核燃料就足够核电站用一年，以至于核燃料的成本在核电站整个生命周期中所占的比例几乎可以忽略不计。核电站的人会告诉你，只要保持核电站开机，它几乎就是个印钞机！但强中更有强中手，核聚变的质能转换效率更高。在所有的核聚变反应中，最容易发生的是氘（D）氚（T）聚变，它的质量亏损比例高达0.7%，比核裂变又高了一个量级。因此核聚变研究者会经常说，一升海水中大约有30毫克氘，它聚变放出的能量相当于300升汽油！按照这种比例计算，核聚变足够人类用几十亿年，几乎是取之不尽用之不竭。实际上，太阳的能量来源就是核聚变。在太阳核心，不断发生着氢聚变成氦（He）的反应。太阳已经这样燃烧了50亿年，还将这样燃烧50亿年。太阳发出的能量，只有22亿分之一发射到地球上，居然就养活了整个地球，所谓“万物生长靠太阳”，以至于古人往往把太阳当作神。这是多么不可思议的伟力！如果不是核聚变，没有其他任何途径能够维持如此长期、如此巨量的能量输出。因此，人们非常希望在地球上实现可控核聚变，这样的研究也经常被比喻为“人造太阳”。那么，问题立刻就来了：可控核聚变实现了吗？回答显然是没有。不可控的核聚变倒是早就实现了，就是氢弹。跟基于聚变的氢弹比起来，基于裂变的原子弹就是个弟弟。原理现在大家知道了，就是核聚变的质能转换效率比核裂变高一个量级。目前地球上有五个国家合法拥有氢弹，它们“刚好”就是联合国安理会五大常任理事国。哎呀，真是好巧啊！那么，可控核聚变究竟难在何处呢？基本的原因在于，核聚变要在极高的温度和压强下才能发生。这是因为原子核是由质子和中子组成的，质子带正电，中子不带电，所以原子核之间都存在静电排斥。要让两个原子核聚变，就必须让它们靠近到非常近的程度，这时核子之间的吸引力才会克服静电排斥力，导致聚变。顺便说一句，核子之间的吸引力叫做核力（nuclear force），也叫做强相互作用（strong interaction），《三体》中鼎鼎大名的“水滴”就是一种假想中的强相互作用材料。只有在极高的温度和压强下，原子核之间才有机会碰到一起。这个极高到底是多高呢？在太阳中心，大约是1500万度和2000亿个大气压。而在地球上，由于我们没法实现那么高的压强（太阳中心的高压来自太阳巨大的质量导致的引力，地球上没有这么巨大的质量），所以只好把温度抬到更高，至少也得上亿度。反过来我们可以说，在太阳中心，由于压强巨大，“只需”1500万度就能实现核聚变。1500万度其实是个很低的温度！可以开玩笑地说，在了解超导之后，你就学会了重新定义高温（在超导领域，高温比室温低）；而在了解核聚变之后，你就学会了重新定义低温。于是下一个问题立刻来临：什么样的容器才能承受上亿度的高温？回答非常明显，什么容器都不行。现在我们知道的材料，熔点最高的也只有几千度，跟上亿度还差五个量级，无论什么材料在上亿度面前都会熔化。不过机智的科学家想出了办法，就是用磁场来约束等离子体（plasma）。这话是什么意思呢？首先，核聚变的燃料在上亿度的高温下都会变成等离子体，即原子核与电子分离的状态。然后，由于原子核和电子都带电，所以可以用磁场来调控它们的运动。在最常见的设计中，我们用磁场让等离子体形成一个环形电流，它就可以保持一直悬空，不碰到容器壁上。这种设计，就是大名鼎鼎的托卡马克（tokamak）。这个词来自俄语，因为它是苏联科学家发明的。它实际的意思是环形真空室磁线圈，托卡马克就是这几个词的词头缩写。那么，用托卡马克我们做到了什么程度呢？实际上，在某种意义上可以说，人类已经实现了可控核聚变。但紧接着就要说明一点，在这些实验中核聚变放出的能量还小于输入的能量，即Q值小于1，所以还是越做越亏。二十世纪九十年代，英国牛津的欧洲联合环（JET）和美国普林斯顿的托卡马克聚变实验反应堆（TFTR）都实现了兆焦耳级的核聚变能量输出，它们的Q值都是零点几。这些实验证明了可控核聚变的科学可行性，所以堪称里程碑式成就。了解了这些背景，就会明白，我们现在需要的是Q > 1的可控核聚变。这正是当前努力的目标。BEST的“燃烧等离子体”，就是这个意思。很多人可能会想起，以前中国的核聚变成果报道中，最经常出场的是中国科学院等离子体物理研究所的EAST。它难道没有实现燃烧吗？！确实没有。EAST的全称是Experimental Advanced Superconducting Tokamak，实验先进超导托卡马克，也经常被称为“东方超环”。它是全世界第一个全超导的托卡马克，这是个了不起的成就，但它并没有实现过燃烧。超导的重要性在于，约束等离子体的磁场来自电流，常规导体有电阻，在通电时会发热，时间一长就把线圈烧掉了，而超导体没有电阻，所以可以更稳定持续地得到强磁场。EAST经常做的是放电，即把注入的氘气电离成等离子体。这是核聚变实验的基础，但并不是核聚变。实际上，EAST的目标是做等离子体物理实验，提高我们控制等离子体的能力。在这方面，EAST确实取得了很多领先成果。例如2025年1月20日，EAST实现一亿度1066秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，再次刷新等离子体高约束模运行的世界纪录。不过自从2006年建成以来，经过将近20年的实验，EAST能做的事基本已经做完了，下一步就是BEST的事了。你也许注意到，BEST跟EAST的四个字母中其实有三个是相同的，即E、S、T，分别代表实验、超导、托卡马克。唯一的区别就是B对A，B是burning plasma（燃烧等离子体），A是advanced（先进）。A显然是拉来凑成EAST这个缩写词的，所以真正的区别就是B，燃烧等离子体。了解这些背景后，BEST的使命就呼之欲出了。它要实现燃烧，即通过核聚变放出能量，而且放出的能量比输入的多，即Q > 1。还要实现持续燃烧，即长达上千秒，而不是瞬间的脉冲。具体而言，EAST用的材料完全是氘，它从来没有注入过氚。氘氚聚变是最容易发生的聚变反应，而氘氘聚变就难得多了，所以EAST从来没做过核聚变，或者说它只发生了非常低比例的聚变，可以忽略不计。而BEST就是真正要把氘和氚注进去，而且它的磁场比EAST提升了三倍，所以可以实现氘氚聚变。还有一个有趣的问题是，BEST为什么被称为紧凑型？由于媒体经常写“紧凑型聚变能实验装置（BEST）”，我们很可能把BEST当成这个词组的首字母缩写。但其实完全不是，BEST的全称如前所述，是Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak，燃烧等离子体实验超导托卡马克。所谓紧凑型聚变能实验装置，并不是一个特指，而是一类，BEST只是其中最先可能实现的一个。实际上，紧凑的意思是，BEST的体积比传统装置如ITER小很多，但磁场强度更高，使得聚变功率密度显著提升。按照现在的时间表，BEST最快可能在2027年完成主机系统建造，2030年前后启动氘氚燃烧实验，而ITER要在2034年才组装好，2039年才满功率运行。因此，如果一切都按计划发展，那么BEST可能会成为全世界第一个实现氘氚稳态燃烧的装置。李建刚院士等人经常说“要让核聚变点亮的第一盏灯在中国”，就是这个意思。如果这能够实现，无疑意味着中国在可控核聚变领域达到世界领先，有望引领人类到达下一个大台阶，这将是一个历史性的突破。不过在抒情之前，我们还需要明白，BEST也只是可控核聚变实用化过程中的一站，还不是终点。这是因为BEST还有很多难题没有解决，包括等离子体约束、材料耐受性等等，而其中最大的一个就是氚自持（tritium self-sufficiency）。这个词是什么意思呢？实际上，氚是一种放射性同位素，它的半衰期是12年多，即每过12年多就少一半。因此，氚无法长期储存。目前氚主要来自核电站的副产物，全球一年的产量只有几十公斤。如果可控核聚变真的实用了，对氚的需求会比这高几个量级，所以根本不够用。现在想到的办法是，用锂的同位素Li-6现场制备氚。一个氘和一个氚聚变会产生一个阿尔法粒子即氦原子核，同时放出一个中子。这个中子打到Li-6上，就会发生核反应，生成一个阿尔法粒子和一个氚。这个氚又输入回去反应，这就叫做氚自持。目前全世界还没有装置做过氚自持的实验，BEST的计划中也不包括氚自持。所以在BEST之后，我们还需要建设一个装置，叫做中国聚变工程示范堆（CFEDR，全称是China Fusion Engineering Demonstration Reactor）。它的主要目标就是实现氚自持，完全解决可控核聚变发电的技术可行性。如果所有这一切都如期实现，那么我们有可能在二十一世纪四十年代实现商业化的可控核聚变发电。历史上，对可控核聚变的预期由于多次跳票，所以有个著名的笑话“可控核聚变永远需要五十年”。但现在我们可以说：五十年太久，只争朝夕！以前中国的科研成果，大多都只是细分领域中的进展。但BEST和将来的CFEDR不是这样，它们是正面向可控核聚变这个人类有史以来最重要的科技发起冲击。这是中国的历史性时刻，也是人类的历史性时刻。雄关漫道真如铁，而今迈头从头越！#微博科普##微博公开课##微博新知##科学世界##核聚变##可控核聚变#