2024年11月8日晚，由beat365官方网站、北京現代物理研究中心主辦的“beat365物理學科卓越人才培養計劃講堂：名師面對面”（第三十一期）在beat365理科教學樓203教室舉行。中國科學院合肥物質科學研究院研究員、等離子體物理研究所首席科學家萬寶年院士應邀講授“讓聚變能點亮未來：磁約束聚變能發展曆程及展望”。本期講堂由beat365官方网站院長、北京現代物理研究中心副主任高原甯院士主持。
能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎，人類從未停止探尋更高效、更清潔、更安全的能源。可控核聚變被認為能夠基本滿足人類對于未來理想終極能源的各種要求，對人類社會的科技進步、經濟可持續發展具有重要的戰略意義。
核聚變是指兩個較輕的原子核（如氫的同位素氘、氚）克服相互之間的庫侖力，結合成一個較重的原子核（如氦，或稱為α粒子），同時釋放巨大能量的核反應過程——這就是太陽發光發熱的原理。可以設想，如果在地球上建成持續反應并穩定持續輸出能量的核聚變裝置，替代不可再生的化石燃料，且在和平利用上實現可控，将從根本上改寫人類的能源版圖。然而，實現受控核聚變反應并獲得一定的淨能量增益，至少需要滿足兩個苛刻的條件：一是極高的溫度（氘-氚聚變反應時，溫度須達到1～2億攝氏度，此時物質全部電離，形成高溫等離子體）、等離子體密度和能量約束時間（等離子體能量損失不能太快，以确保獲得極高的溫度），實現聚變點火要求三者的乘積（稱為聚變三乘積）大于所謂的勞遜判據；二是在良好的約束狀态下實現長時間的維持（高溫等離子體須維持足夠長的時間，以充分地發生聚變反應，釋放足夠多的能量，面向等離子體的材料将在強磁場環境下經受高中子、熱和粒子通量輻照的考驗）。因此，迄今仍是人類面臨的世紀科學難題和重大工程挑戰，仿佛“永遠還有五十年”。
萬寶年指出，理想的核聚變反應堆運行方案需要同時滿足若幹穩定性和約束性能的限制條件
目前主流的可控核聚變方式包括磁約束（如托卡馬克）核聚變和慣性約束（如激光驅動）核聚變。人類對可控核聚變的探索源于上世紀50年代，起步階段并不順利。直到60年代，蘇聯物理學家阿齊莫維奇（L. A. Artsimovich）等人發明了托卡馬克裝置，利用一種軸對稱的環形磁場位型及環向等離子體電流約束高溫等離子體，将等離子體溫度提升至107℃以上，成為可控磁約束核聚變發展史上最重要的裡程碑；其後，磁約束核聚變研究展現蓬勃活力。托卡馬克高約束運行模式被視為解決未來穩态聚變反應堆物理及工程問題最有希望的途徑。未來的核聚變反應堆在達到并維持聚變反應的條件下，将利用聚變産生的高能量α粒子對等離子體進行自持加熱，維持等離子體燃燒條件，同時輸出聚變産生的中子所攜帶的能量。
上世紀90年代，歐洲聯合環狀反應堆（JET）和美國托卡馬克聚變試驗反應堆（TFTR）開展氘-氚聚變反應實驗，驗證了實現可控核聚變的科學可行性。然而，受控核聚變研究過程中所面臨的科學技術挑戰使得越來越多的科學家意識到，沒有任何一個國家或地區能僅靠一己之力勝任電站規模聚變堆的建造和運行，于是，世界上規模最大、影響最深遠的國際大科學工程——國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃應運而生；該計劃旨在通過大型國際合作研究，在法國南部建造一台反應堆級全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，驗證大規模産生可控核聚變能的科學和工程技術可行性。2006年，我國以平等、全權夥伴身份正式參與聯合實施ITER計劃，近年來牽頭中外聯合體團隊承擔了關鍵部件研制、總裝等核心任務，憑借快速、強大的工程技術能力和科學研究進步成為各合作方中恪守國際承諾的典範。
萬寶年說，ITER計劃承載着人類和平利用核聚變能的美好願望
萬寶年從托卡馬克聚變堆的設計和運行需求（即高聚變功率、高聚變增益、高自舉電流份額）出發，重點講解了托卡馬克高約束運行方案涉及的關鍵物理的發展現狀與挑戰。上世紀80年代，德國軸對稱偏濾器實驗（ASDEX）裝置在偏濾器位型下實現了高約束模式，其能量約束時間比低約束模式提高一倍，相同聚變功率下可以大幅度地降低聚變堆規模，成為托卡馬克發展史上另一座重要的裡程碑。科學家基于國際上多台大裝置實驗結果總結出的高約束模式能量約束時間的實驗定标律成為設計托卡馬克聚變堆最重要的物理基礎。實驗定标律表明，等離子體電流越高，越有利于獲得更高的聚變增益（由于需要環向感應電場驅動電流，稱為感應運行方案），因此被選做ITER計劃基準運行方案，以實現功率增益因子達到10的科學目标。此外，非感應電流驅動的穩态運行方案具有較高的自舉電流份額，有利于實現長時間穩态運行；介于兩者之間的混合運行方案有利于在較長時間下獲得較高的聚變功率。近年來，托卡馬克物理研究主要緻力于通過參數分布優化，改變核聚變反應堆穩定性和約束性能的限制條件，拓寬适于反應堆運行的區間。
如今，磁約束核聚變已進入臨近點火燃燒等離子體研究的新階段。燃燒等離子體最主要的特征是存在大量107eV量級的高能量粒子，其中聚變産生的α粒子通過庫侖碰撞等過程主導等離子體加熱，維持反應堆自持燃燒。在反應堆條件下，如何實現高能量α粒子對等離子體（特别是氘、氚）的有效自加熱？在高能量α粒子自加熱為主的條件下，如何調控等離子體分布（包括高能量粒子的相空間分布）？能否建立全尺度模型，實現反應堆複雜等離子體長時間動力學過程的預測和分析？進一步解決這些關鍵科學問題、攻克相關核心技術，将為未來核聚變反應堆的設計和運行奠定堅實的物理基礎。
萬寶年還帶領同學們追溯了我國自上世紀50～60年代開展磁約束核聚變研究的奮進曆程。從1974年建成我國第一台托卡馬克裝置CT-6，到1994年建成我國第一台超導托卡馬克裝置HT-7，再到2006年建成我國自行設計研制的世界上第一台全超導托卡馬克裝置——“東方超環”（EAST），從跟跑、并跑到部分領跑，四代科學家不斷挑戰極限、屢獲重大突破，一次次刷新穩态高約束模式等離子體運行的世界紀錄，為中國“人造太陽”注入一縷縷光芒。而就在“東方超環”不遠處，一座新的大科學裝置——聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施（CRAFT）正在建設，瞄準建設世界第一個聚變示範堆的中國聚變工程實驗堆（CFETR）也已完成工程設計。全球同行攜手“種太陽”、讓聚變能的“第一盞燈”在地球村點亮，不再隻是遠方。
同學們對集超高溫、超低溫、超高真空、超強磁場、超大電流等極限工況于一體的“東方超環”及其衍生的高新技術興緻盎然
課後，萬寶年就仿星器與托卡馬克裝置的異同點、有效控制等離子體的強化學習算法、核聚變能源商業化前景等方面的問題與同學們展開熱烈交流。
核物理與核技術國家重點實驗室樊鐵栓教授、楊振偉教授、肖池階長聘副教授、郭志彬助理教授，beat365高能物理研究中心馬滟青教授，beat365博士研究生培優計劃2023級部分入選者及等離子物理、高能量密度物理專業部分學生現場出席。
萬寶年（一排左四）、高原甯（一排左三）鼓勵同學們“聚”逐科學“紅日”、“變”灑人間光明
