燃燒等離子體是什么意思？

建設中的BEST

2025年11月24日，有一條重大新聞：中國科學院燃燒等離子體國際科學計劃項目正式啟動，并面向國際聚變領(lǐng)域，發(fā)布緊湊型聚變能實驗裝置BEST研究計劃。來自10多個國家的聚變科學家，在合肥未來大科學城BEST裝置大廳共同簽署《合肥聚變宣言》。

大多數(shù)人看到這個消息，都會感覺離可控核聚變的夢想又近了一步。但在此之上，要理解其中的術(shù)語就有點難度了：燃燒等離子體是什么意思？緊湊型是什么意思？BEST是什么的縮寫？......

實際上，BEST的全稱是Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak，即燃燒等離子體實驗超導托卡馬克。之所以要強調(diào)燃燒等離子體，正是因為以前沒有燃燒（放出能量大于輸入能量）。而緊湊型聚變能實驗裝置其實是BEST的定位，緊湊是相對于國際熱核聚變實驗堆（ITER）而言。下面，我們來稍微詳細地解讀一下。

什么是核聚變？

未來核聚變反應堆中發(fā)生的核聚變反應

核聚變反應堆中所使用的燃料是作為氫的同位素的氘和氚，雖然它們的化學性質(zhì)與氫相同，但原子核(帶正電荷)里中子(圖中黃色小球)的數(shù)量不同。

首先，什么是核聚變？核聚變就是一些小的原子核聚合成一個大的原子核，例如氫（H）原子核聚變成氦（He）原子核。相反的過程叫作核裂變，即一個大的原子核分裂成幾個小的原子核，例如鈾（U）原子核裂變成鋇（Ba）和氪（Kr）的原子核等。核聚變與核裂變不是化學反應，而是核反應。

核聚變?yōu)槭裁粗匾窟@是因為核聚變能夠放出巨大的能量。不過，如何度量“巨大”呢？一個統(tǒng)一的指標，是單位質(zhì)量反應物放出的能量，核聚變會比化學反應高出好幾個量級。在這里，我還建議采用另一種等價而更加直指本質(zhì)的指標：質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率，即反應前后的質(zhì)量虧損比例。這個指標來自愛因斯坦的質(zhì)能方程，E=mc2。質(zhì)能方程是狹義相對論的一個結(jié)論。

有趣的是，雖然質(zhì)能方程的推導有些難度，但它的意義卻非常容易理解。這個方程說的就是，一定的能量必然對應一定的質(zhì)量，一定的質(zhì)量也必然對應一定的能量，兩者的比例系數(shù)是光速（c）的平方。由此可以推出，如果反應前后質(zhì)量降低了，那么這個反應必然放出能量，這個能量的數(shù)值就是質(zhì)量的損失乘以光速的平方。反之，如果一個反應前后質(zhì)量升高了，那么這個反應必然要吸收能量。因此，質(zhì)量虧損越高，放出的能量就越高。

讓我們來舉個例子。氫氣跟氧氣反應生成水（2H2+O2=2H2O）的質(zhì)量虧損是多少?

且慢！化學反應的質(zhì)量不是守恒的嗎？

且慢，許多人立刻就會表示反對：化學反應的質(zhì)量不是守恒的嗎？在初中剛開始學化學的時候，就學過質(zhì)量守恒定律。因此，許多人會認為，化學反應沒有質(zhì)量虧損。那化學反應為什么會放出能量呢？他們會說，質(zhì)能方程不適用于化學反應，只適用于核反應。

但實際上，這種觀點完全是削足適履。正確的理解是，狹義相對論是普適的理論，質(zhì)能方程對所有現(xiàn)象都適用，包括化學反應在內(nèi)。為了充分理解這意味著什么，讓我們來計算一下氫氧反應的質(zhì)量虧損。

1摩爾氫氣加0.5摩爾氧氣生成1摩爾水，放出能量242kJ。這個數(shù)值在化學反應中屬于非常高的，甚至可以用來驅(qū)動火箭。但由于光速的數(shù)值很大（近30萬千米每秒），這個能量除以c2之后就會變成一個很小的質(zhì)量。結(jié)果是，氫氧反應的質(zhì)量虧損比例只有1.8x10-10，或者說百分之1.8x10-8。這是個微不足道的比例。

因此，對化學反應我們?nèi)匀豢梢杂觅|(zhì)量守恒定律，但應該明白，它是近似而不是精確的定律。能量守恒定律才是精確的定律。正是由于能量守恒和質(zhì)能方程，才會推出，任何有能量變化的反應必然伴隨質(zhì)量變化，所以質(zhì)量守恒定律不是個精確的定律。

相比之下，核裂變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率就非常高了。目前我們在核電站中用的都是核裂變，而其中最常用的核燃料是鈾-235。鈾-235的裂變反應，質(zhì)量虧損比例大約是0.09%。這比氫氧反應的比例高了6個量級，明顯可以測出來了。這意味著，同樣質(zhì)量的反應物，鈾-235裂變放出的能量比氫氧燃燒放出的能量高百萬倍。

因此我們參觀核電站時，經(jīng)常會聽說，一卡車的核燃料就足夠核電站用一年，以至于核燃料的成本在核電站整個生命周期中所占的比例幾乎可以忽略不計。

作為燃料的氚在反應堆內(nèi)增殖

核聚變反應生成的中子與作為冷卻材料的液態(tài)鋰鉛中的鋰-6（鋰的同位素，約占鋰總量的8%）原子核相碰撞會發(fā)生核反應，并生成可以作為核聚變反應原料的氚，將其回收并作為燃料利用。

但強中更有強中手，核聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率更高。在所有的核聚變反應中，最容易發(fā)生的是氘（D）氚（T）聚變，它的質(zhì)量虧損比例高達0.7%，比核裂變又高了一個量級。研究者會經(jīng)常說，一升海水中大約有30毫克氘，它聚變放出的能量相當于300升汽油燃燒放能！按照這種比例計算，核聚變足夠人類用幾十億年。

實際上，太陽的能量來源就是核聚變。在太陽核心，不斷發(fā)生著氫聚變成氦（He）的反應。太陽已經(jīng)這樣燃燒了50億年，還將這樣燃燒50億年。太陽發(fā)出的能量，只有22億分之1發(fā)射到地球上，居然就養(yǎng)活了整個地球，所謂“萬物生長靠太陽”，以至于古人往往把太陽當作神。這是多么不可思議的偉力！如果不是核聚變，沒有其他任何途徑能夠維持如此長期、如此巨量的能量輸出。因此，人們非常希望在地球上實現(xiàn)可控核聚變，這樣的研究也經(jīng)常被比喻為“人造太陽”。

可控核聚變究竟難在何處？

那么，可控核聚變實現(xiàn)了嗎?回答顯然是沒有。不可控的核聚變倒是早就實現(xiàn)了，就是氫彈。跟基于裂變的原子彈比起來，基于聚變的氫彈要強得多。原理就是核聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率比核裂變高一個量級。

可控核聚變究竟難在何處呢？基本的難點在于，核聚變要在極高的溫度和壓強下才能發(fā)生。原子核是由質(zhì)子和中子組成的，質(zhì)子帶正電，中子不帶電，所以原子核之間都存在靜電排斥。要讓兩個原子核聚變，就必須讓它們靠近到非常近的程度，這時核子之間的吸引力才會克服靜電排斥力，導致聚變。順便說一句，核子之間的吸引力叫作核力，也叫作強相互作用，科幻小說《三體》中的探測器“水滴”就由假想中的強相互作用材料制成。

只有在極高的溫度和壓強下，原子核之間才有機會碰到一起。這個極高到底是多高呢？在太陽中心，大約是1500萬度和2000億個大氣壓。而在地球上，由于我們沒法實現(xiàn)那么高的壓強（太陽中心的高壓來自太陽巨大的質(zhì)量導致的引力，地球上沒有這么巨大的質(zhì)量），所以只好把溫度抬到更高，至少也得上億度。

反過來我們可以說，在太陽中由于壓強巨大，“只需”1500萬度就能實現(xiàn)核聚變。1500萬度其實是個很低的溫度！可以開玩笑地說，在了解超導之后，你就學會了重新定義高溫（在超導領(lǐng)域，高溫比室溫低）；而在了解核聚變之后，你就學會了重新定義低溫。

什么樣的容器才能承受上億度的高溫？

什么樣的容器才能承受上億度的高溫？現(xiàn)在我們知道的材料，熔點最高的也只有幾千度，無論什么材料在上億度面前都會熔化。

不過機智的科學家想出了辦法，就是用磁場來約束等離子體。首先，核聚變的燃料在上億度的高溫下都會變成等離子體，即原子核與電子分離的狀態(tài)。然后，由于原子核和電子都帶電，所以可以用磁場來調(diào)控它們的運動。

在最常見的設計中，我們用磁場讓等離子體形成一個環(huán)形電流，它就可以保持一直懸空，不碰到容器壁上。這種設計，就是托卡馬克（tokamak）。這個詞來自俄語，因為它是蘇聯(lián)科學家發(fā)明的環(huán)形真空室磁線圈，托卡馬克就是這幾個詞的詞頭縮寫。

那么，用托卡馬克我們做到了什么程度呢？在某種意義上可以說，人類已經(jīng)實現(xiàn)了可控核聚變。但在這些實驗中核聚變放出的能量還小于輸入的能量，即Q值小于1，所以還是越做越虧。20世紀90年代，英國牛津的歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）和美國普林斯頓的托卡馬克聚變實驗反應堆（TFTR）都實現(xiàn)了兆焦耳級的核聚變能量輸出，它們的Q值都是零點幾。這些實驗證明了可控核聚變的科學可行性，所以堪稱里程碑式成就。

了解了這些背景，就會明白，我們需要的是Q>1的可控核聚變。這正是當前努力的目標。BEST的“燃燒等離子體”，就是這個意思。

EAST沒有實現(xiàn)燃燒嗎？

很多人可能會想起中國科學院等離子體物理研究所的EAST。它難道沒有實現(xiàn)燃燒嗎?

確實沒有。EAST的全稱是Experimental Advanced Superconducting Tokamak，實驗先進超導托卡馬克，也經(jīng)常被稱為“東方超環(huán)”。它是全世界第一個全超導的托卡馬克，這是個了不起的成果，但它并沒有實現(xiàn)過燃燒。超導的重要性在于，約束等離子體的磁場來自電流，常規(guī)導體有電阻，在通電時會發(fā)熱，時間一長就把線圈燒掉了，而超導體沒有電阻，所以可以更穩(wěn)定持續(xù)地得到強磁場。

EAST經(jīng)常做的是放電，即把注入的氘氣電離成等離子體。這是核聚變實驗的基礎，但并不是核聚變。實際上，EAST的目標是做等離子體物理實驗，提高我們控制等離子體的能力。在這方面，EAST確實取得了很多領(lǐng)先成果。例如2025年1月20日，EAST實現(xiàn)一億度1066秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模式等離子體運行，再次刷新等離子體高約束模運行的世界紀錄。不過自從2006年建成以來，經(jīng)過將近20年的實驗，EAST能做的事基本已經(jīng)做完了，下一步就是BEST的事了。

你也許注意到，BEST跟EAST的4個字母中其實有3個是相同的，即E、S、T，分別代表實驗、超導、托卡馬克。唯一的區(qū)別就是B對應burning plasma（燃燒等離子體），A對應advanced（先進）。真正的區(qū)別就在于燃燒等離子體。

了解這些背景后，BEST的使命就呼之欲出了。它要實現(xiàn)燃燒，即通過核聚變放出能量，而且Q>1，即能量輸出大于輸入。還要實現(xiàn)持續(xù)燃燒，即長達上千秒，而不是瞬間的脈沖。

具體而言，EAST用的材料完全是氘，它從來沒有注入過氚。氘氚聚變是最容易發(fā)生的聚變反應，而氘氘聚變就難得多了，所以EAST從來沒做過核聚變，或者說它只發(fā)生了非常低比例的聚變，可以忽略不計。而BEST就是真正要把氘和氚注進去，而且它的磁場比EAST提升了3倍，所以可以實現(xiàn)氘氚聚變。

BEST為什么被稱為緊湊型?

還有一個有趣的問題是，BEST為什么被稱為緊湊型?

由于媒體經(jīng)常寫“緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）”，我們很可能把BEST當成這個詞組的首字母縮寫。但其實完全不是，BEST的全稱如前所述，是燃燒等離子體實驗超導托卡馬克。所謂緊湊型聚變能實驗裝置，并不是一個特指，而是一類，BEST只是其中最先可能實現(xiàn)的一個。

緊湊的意思是，BEST的體積比傳統(tǒng)裝置如ITER小很多，但磁場強度更高，使得聚變功率密度顯著提升。按照現(xiàn)在的時間表，BEST最快可能在2027年完成主機系統(tǒng)建造，2030年前后啟動氘氚燃燒實驗，而ITER要在2034年才組裝好，2039年才滿功率運行。

因此，如果一切都按計劃發(fā)展，那么BEST可能會成為全世界第一個實現(xiàn)氘氚穩(wěn)態(tài)燃燒的裝置。李建剛院士等人經(jīng)常說“要讓核聚變點亮的第一盞燈在中國”，就是這個意思。如果這能夠?qū)崿F(xiàn)，無疑意味著中國在可控核聚變領(lǐng)域達到世界領(lǐng)先，有望引領(lǐng)人類到達下一個大臺階，這將是一個歷史性的突破。

不過我們還需要明白，BEST也只是可控核聚變實用化過程中的一站，還不是終點。這是因為BEST還有很多難題沒有解決，包括等離子體約束、材料耐受性等，而其中最大的一個就是氚自持。氚是一種放射性同位素，它的半衰期是12年多，即每過12年多就少一半。因此，氚無法長期儲存。目前氚主要來自核電站的副產(chǎn)物，全球一年的產(chǎn)量只有幾十千克。如果可控核聚變真的實用了，對氚的需求會比這高幾個量級，所以根本不夠用。

現(xiàn)在想到的辦法是，用鋰的同位素鋰-6現(xiàn)場制備氚。1個氘和1個氚聚變會產(chǎn)生1個阿爾法粒子即氦原子核，同時放出1個中子。這個中子打到鋰-6上，就會發(fā)生核反應，生成1個阿爾法粒子和1個氚。這個氚又輸入回去反應，這就叫作氚自持。目前全世界還沒有裝置做過氚自持的實驗，BEST的計劃中也不包括氚自持。

所以在BEST之后，我們還需要建設一個裝置，叫作中國聚變工程示范堆（CFEDR，China Fusion Engineering Demonstration Reactor）。它的主要目標就是實現(xiàn)氚自持，完全解決可控核聚變發(fā)電的技術(shù)可行性。如果所有這一切都如期實現(xiàn)，那么我們有可能在21世紀40年代實現(xiàn)商業(yè)化的可控核聚變發(fā)電。跟以前流行的笑話“可控核聚變永遠需要五十年”相比，真可以說是：五十年太久，只爭朝夕！

以前中國的科研成果，大多都只是細分領(lǐng)域中的進展。但BEST和將來的CFEDR不是這樣，它們是正面向可控核聚變這個人類有史以來最重要的科技發(fā)起沖擊。這是中國的歷史性時刻，也是人類的歷史性時刻。雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越！

來源：科學世界

原標題：袁嵐峰：燃起來了！燃燒等離子體是什么意思？｜科學世界·視點

編輯：丁香葉子

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