《山海经》里记载了夸父追日的故事。虽然夸父奔驰了几千里还是没追上太阳，但他坚持不懈的顽强毅力感动了无数华夏儿女。时间流转了千年，如今在安徽合肥，一项名为 " 夸父追日 " 的项目正在开展。既然追不到太阳，那就创造一个 " 太阳 " 吧！

夸父启明

让我们造个太阳吧！

太阳是因为内部不断进行着核聚变反应，才如此明亮。紧凑型聚变能实验装置（BEST，Burning Plasma Experimental   Superconducting Tokamak）是燃烧等离子体物理实验装置，目的是通过可控核聚变技术来获取能源，因此也被称为 " 人造太阳 "。

BEST 项目模型丨编辑部同事拍摄

核聚变的物理原理说起来很简单：将轻原子核（通常是氢的同位素：氘 D  和  氚 T）结合成较重的原子核（氦），并释放出惊人的能量，但在实际操作中却困难重重。由于核聚变需要将燃料（等离子体）加热到一亿摄氏度以上（这时物质会变成等离子体），地球上没有任何实体材料能经受住这种高温，而磁约束托卡马克就是通过磁场约束上亿度高温等离子体的聚变装置。

托卡马克的内部是一个环形的真空室，类似轮胎的结构，真空室外部是各种形态的线圈。它的原理是利用强磁场构筑一个 " 磁笼子 "，让高温带电的等离子体悬浮在真空中，不接触容器壁。

托卡马克的磁场丨 wikipedia

" 磁笼子 " 是利用了洛伦兹力才能约束住等离子体的。等离子体是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，带电粒子不会横穿磁场线，而是会绕着磁场线做螺旋形运动。磁场就像一根 " 隐形的轨道 "，把带电粒子约束在这些轨道上。当科学家把磁场线弯成一个首尾相接的环时，粒子就会在这个环形轨道里永无止境地跑下去。

如今国际上关于核聚变的研究，大多在托卡马克的装置上进行的。BEST 装置采用紧凑高场超导托卡马克技术路线，验证聚变可在真实燃料环境下实现净输出能量，演示核聚变发电。它走在 " 等离子体物理实验 " 向 " 聚变工程验证 " 跨越的临界点上。在核聚变这个被称为 " 人类能源终极战场 " 的赛道上，BEST 的出现，标志着中国已经从国际合作中的 " 重要参与者 "，正式转向了全球技术路线的 " 定义者 " 之一。

造太阳不易

困难重重

1

" 紧凑 " 的秘密

在托卡马克装置中，有一个物理规律：聚变功率与磁场强度的四次方成正比，也就是磁场越强，聚变的功率越大。

因此传统托卡马克装置是依靠加大体积来换取能量的。但如果一个聚变堆需要造得像一座城市那么大，它将永远无法大规模普及。

如何缩减体积，是核聚变未来探索的必经之路。还记得 BEST 的全名吗？紧凑型聚变能实验装置，它的目的是用更小的体积追求更强的磁场。

为了实现这个目标，科学家们把目光锁定到高温超导（HTS）材料上。

要想约束能量巨大的等离子体，需要的磁场强度极高（通常是地球磁场的数万倍）。普通铜导线如果通过这么大的电流，会因为电阻发热而瞬间熔化。用高温超导材料制造成的超导磁体（Superconducting Magnets），可以在极低温度下电阻消失，这意味着可以通入巨大的电流几乎不产生热量，从而产生较强的稳定磁场。这对于聚变堆的长时间稳态运行至关重要。

有了这些材料的加持，才可以让 " 磁笼子 " 造得更小、更紧固。

2

Q 值的实战

在聚变研究中，Q 值（能量增益因子）是衡量 " 这买卖划不划算 " 的绝对核心指标。

Q<1：耗电比发电多。目前大多数实验装置处于这个阶段。

Q=1（盈亏平衡点，Breakeven）：产生的能量刚好等于输入的能量。这在物理学上是一个里程碑。

Q ≥ 1：这是 BEST 项目的重要目标。

Q ≥ 10：国际热核聚变实验堆（ITER）的目标。在这个量级，产生的能量足以维持等离子体的自我加热。

Q= ∞：理论上的完美状态。反应一旦开始，不再需要外部加热，靠自身产生的热量就能持续反应。

但当 Q 达到 5 甚至更高时，聚变反应自身产生的粒子（氦核）所携带的能量开始超过外部输入的加热能量，就进入了燃烧等离子体（Burning Plasma）状态。这时候，等离子体会产生复杂的湍流和不稳定性，像一锅煮沸的粥，而如何不让它 " 扑锅 "（溢出磁约束），也是要解决的问题。

3

氚的循环值的实战

核聚变的燃料是氘和氚。海水中富含大量的氘，但氚在自然界中几乎不存在。如何才能提供充足的核聚变原料，也是科学家要解决的难题之一。

好在科学家们发现，锂是目前已知的、在工程上最可行且效率最高的产氚媒介。

由于中子不带电，所以聚变反应产生的高能中子是不受 " 磁笼子 " 约束的，它们会在真空室里横冲直撞。当高能中子轰击到包层的锂之后，会与锂发生反应，产生新的氚。

利用这个原理，科学家们希望创造出一个可以自给自足的反应堆。聚变产生的中子轰击锂产生氚，生成的氚被提取出来，重新注入回真空室，继续维持聚变，可谓子子孙孙无穷尽也。

结语

发展核聚变不仅是一项前沿的科学挑战，更是我国迈向未来能源自主与实现 " 双碳 " 战略的核心底座。掌握了核聚变，等同于掌握了 " 人造太阳 " 的火种。只有科技自立自强，才是国家的强盛之基、安全之要。

策划制作

来源丨科普中国综合自新华社、央视新闻、中国核电网

审核丨叶华龙 科普中国专家  

          蔡其敏 科普中国专家

整理丨甄曦

责编丨甄曦

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