2024年11月8日晚，由世界杯预选赛买球、北京现代物理研究中心主办的“世界杯预选赛买球物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第三十一期）在世界杯预选赛买球理科教学楼203教室举行。中国科学院合肥物质科学研究院研究员、等离子体物理研究所首席科学家万宝年院士应邀讲授“让聚变能点亮未来：磁约束聚变能发展历程及展望”。本期讲堂由世界杯预选赛买球院长、北京现代物理研究中心副主任高原宁院士主持。
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，人类从未停止探寻更高效、更清洁、更安全的能源。可控核聚变被认为能够基本满足人类对于未来理想终极能源的各种要求，对人类社会的科技进步、经济可持续发展具有重要的战略意义。
核聚变是指两个较轻的原子核（如氢的同位素氘、氚）克服相互之间的库仑力，结合成一个较重的原子核（如氦，或称为α粒子），同时释放巨大能量的核反应过程——这就是太阳发光发热的原理。可以设想，如果在地球上建成持续反应并稳定持续输出能量的核聚变装置，替代不可再生的化石燃料，且在和平利用上实现可控，将从根本上改写人类的能源版图。然而，实现受控核聚变反应并获得一定的净能量增益，至少需要满足两个苛刻的条件：一是极高的温度（氘-氚聚变反应时，温度须达到1～2亿摄氏度，此时物质全部电离，形成高温等离子体）、等离子体密度和能量约束时间（等离子体能量损失不能太快，以确保获得极高的温度），实现聚变点火要求三者的乘积（称为聚变三乘积）大于所谓的劳逊判据；二是在良好的约束状态下实现长时间的维持（高温等离子体须维持足够长的时间，以充分地发生聚变反应，释放足够多的能量，面向等离子体的材料将在强磁场环境下经受高中子、热和粒子通量辐照的考验）。因此，迄今仍是人类面临的世纪科学难题和重大工程挑战，仿佛“永远还有五十年”。
万宝年指出，理想的核聚变反应堆运行方案需要同时满足若干稳定性和约束性能的限制条件
目前主流的可控核聚变方式包括磁约束（如托卡马克）核聚变和惯性约束（如激光驱动）核聚变。人类对可控核聚变的探索源于上世纪50年代，起步阶段并不顺利。直到60年代，苏联物理学家阿齐莫维奇（L. A. Artsimovich）等人发明了托卡马克装置，利用一种轴对称的环形磁场位型及环向等离子体电流约束高温等离子体，将等离子体温度提升至107℃以上，成为可控磁约束核聚变发展史上最重要的里程碑；其后，磁约束核聚变研究展现蓬勃活力。托卡马克高约束运行模式被视为解决未来稳态聚变反应堆物理及工程问题最有希望的途径。未来的核聚变反应堆在达到并维持聚变反应的条件下，将利用聚变产生的高能量α粒子对等离子体进行自持加热，维持等离子体燃烧条件，同时输出聚变产生的中子所携带的能量。
上世纪90年代，欧洲联合环状反应堆（JET）和美国托卡马克聚变试验反应堆（TFTR）开展氘-氚聚变反应实验，验证了实现可控核聚变的科学可行性。然而，受控核聚变研究过程中所面临的科学技术挑战使得越来越多的科学家意识到，没有任何一个国家或地区能仅靠一己之力胜任电站规模聚变堆的建造和运行，于是，世界上规模最大、影响最深远的国际大科学工程——国际热核聚变实验堆（ITER）计划应运而生；该计划旨在通过大型国际合作研究，在法国南部建造一台反应堆级全超导托卡马克核聚变实验装置，验证大规模产生可控核聚变能的科学和工程技术可行性。2006年，我国以平等、全权伙伴身份正式参与联合实施ITER计划，近年来牵头中外联合体团队承担了关键部件研制、总装等核心任务，凭借快速、强大的工程技术能力和科学研究进步成为各合作方中恪守国际承诺的典范。
万宝年说，ITER计划承载着人类和平利用核聚变能的美好愿望
万宝年从托卡马克聚变堆的设计和运行需求（即高聚变功率、高聚变增益、高自举电流份额）出发，重点讲解了托卡马克高约束运行方案涉及的关键物理的发展现状与挑战。上世纪80年代，德国轴对称偏滤器实验（ASDEX）装置在偏滤器位型下实现了高约束模式，其能量约束时间比低约束模式提高一倍，相同聚变功率下可以大幅度地降低聚变堆规模，成为托卡马克发展史上另一座重要的里程碑。科学家基于国际上多台大装置实验结果总结出的高约束模式能量约束时间的实验定标律成为设计托卡马克聚变堆最重要的物理基础。实验定标律表明，等离子体电流越高，越有利于获得更高的聚变增益（由于需要环向感应电场驱动电流，称为感应运行方案），因此被选做ITER计划基准运行方案，以实现功率增益因子达到10的科学目标。此外，非感应电流驱动的稳态运行方案具有较高的自举电流份额，有利于实现长时间稳态运行；介于两者之间的混合运行方案有利于在较长时间下获得较高的聚变功率。近年来，托卡马克物理研究主要致力于通过参数分布优化，改变核聚变反应堆稳定性和约束性能的限制条件，拓宽适于反应堆运行的区间。
如今，磁约束核聚变已进入临近点火燃烧等离子体研究的新阶段。燃烧等离子体最主要的特征是存在大量107eV量级的高能量粒子，其中聚变产生的α粒子通过库仑碰撞等过程主导等离子体加热，维持反应堆自持燃烧。在反应堆条件下，如何实现高能量α粒子对等离子体（特别是氘、氚）的有效自加热？在高能量α粒子自加热为主的条件下，如何调控等离子体分布（包括高能量粒子的相空间分布）？能否建立全尺度模型，实现反应堆复杂等离子体长时间动力学过程的预测和分析？进一步解决这些关键科学问题、攻克相关核心技术，将为未来核聚变反应堆的设计和运行奠定坚实的物理基础。
万宝年还带领同学们追溯了我国自上世纪50～60年代开展磁约束核聚变研究的奋进历程。从1974年建成我国第一台托卡马克装置CT-6，到1994年建成我国第一台超导托卡马克装置HT-7，再到2006年建成我国自行设计研制的世界上第一台全超导托卡马克装置——“东方超环”（EAST），从跟跑、并跑到部分领跑，四代科学家不断挑战极限、屡获重大突破，一次次刷新稳态高约束模式等离子体运行的世界纪录，为中国“人造太阳”注入一缕缕光芒。而就在“东方超环”不远处，一座新的大科学装置——聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）正在建设，瞄准建设世界第一个聚变示范堆的中国聚变工程实验堆（CFETR）也已完成工程设计。全球同行携手“种太阳”、让聚变能的“第一盏灯”在地球村点亮，不再只是远方。
同学们对集超高温、超低温、超高真空、超强磁场、超大电流等极限工况于一体的“东方超环”及其衍生的高新技术兴致盎然
课后，万宝年就仿星器与托卡马克装置的异同点、有效控制等离子体的强化学习算法、核聚变能源商业化前景等方面的问题与同学们展开热烈交流。
核物理与核技术国家重点实验室樊铁栓教授、杨振伟教授、肖池阶长聘副教授、郭志彬助理教授，世界杯预选赛买球高能物理研究中心马滟青教授，物理学院博士研究生培优计划2023级部分入选者及等离子物理、高能量密度物理专业部分学生现场出席。
万宝年（一排左四）、高原宁（一排左三）鼓励同学们“聚”逐科学“红日”、“变”洒人间光明
