从10小时到100小时：中国突破聚变中子源持续稳定运行难题

摘要：你家微波炉加热饭菜时，是不是总好奇那看不见的能量咋让食物变热？平常关注用电时，或许也会琢磨：科学家们探索的清洁能源，当下有啥新进展？9月20日，重庆凤麟核基地正式官宣，我国新一代稳态聚变中子源HINEG-II已全面建成。

你家微波炉加热饭菜时，是不是总好奇那看不见的能量咋让食物变热？平常关注用电时，或许也会琢磨：科学家们探索的清洁能源，当下有啥新进展？9月20日，重庆凤麟核基地正式官宣，我国新一代稳态聚变中子源HINEG-II已全面建成。

不要小瞧这款装置它不仅达成每秒产出13万亿个聚变中子的核心指标还实现连续稳定运转100个小时、离子束流强度达50毫安的新突破和2016年凤麟核团队创造的纪录相比综合性能直接提高了8倍。

在发布会现场，凤麟核基地的总工程师王健直接就说道：“这组数据显示，中国在聚变中子源这一块儿，已经从阶段性达标‘迈进到持续稳定运行’的关键阶段，给后续研究搭建了个还挺不错的基础，。

回顾2016年，凤麟核团队首次创造聚变中子源的世界纪录，彼时全世界可控核聚变研究面临一大难题——“反应不稳定”，当时的中子源装置，单次运行最长不足10小时，中子产出量波动幅度达30%，如同初学做饭时的燃气灶：好不容易点燃，火却忽大忽小，无法安稳烧菜。

据凤麟核基地发布的《技术白皮书》，该装置的氘氚聚变反应截面达1.2靶恩这是衡量粒子反应概率的单位，1靶恩相当于1个原子的横截面大小），已接近国际热核聚变实验堆（ITER）设计指标的90%，距离“国际标准”越来越近。

中国工程院院士李建刚在公开场合明确表示：“聚变能源的研究需明晰‘极端环境下的材料性能’，而中子源恰似‘观察用的小孔’——若没有稳定的中子源，根本无法精准知晓聚变堆材料在高温、高辐射环境中的变化情形，这样后续研究变成了‘无米之炊’，”

HINEG-II的关键功效，便是给科研工作者提供一个“观测核聚变微观进程的工具”：它可以帮科研人员捕捉“中子和材料原子相互作用”的关键信息，就跟给聚变研究安上了“高清显微镜”差不多。

瞧见“每秒13万亿个中子”，好多人或许就犯起嘀咕：这跟“核”扯上关系，是不是就会有辐射危险？实际上这可是挺常见的认知误解。

中国原子能科学研究院此前发布的《中子应用安全报告》清清楚楚地指出：“像HINEG-II这类稳态聚变中子源，产生的中子是‘脉冲式可控中子’，如同手电筒的光柱一般——虽说能量较为集中吧，但只要切断离子束（也就是关上‘开关’），中子会在0，01秒内消失，并不会像核废料那样有长时间的残留辐射，”

细化到安全指标哈：它运行的时候，辐射剂量比国家民用安全标准低个十分之一；设备关停后10分钟内，辐射水平就能够恢复到日常户外的自然辐射量，安全性那是完完全全在掌控之中。

或许有人会想到医疗领域里的国产BNCT（硼中子俘获治疗）设备它已经在部分癌症治疗里用上，核心原理也是靠着精准去调节中子束来作用癌细胞，临床案例表明部分患者治疗完之后疼痛减轻、肿瘤也缩小。

值得注意的是，HINEG-II的安全控制技术与BNCT具有“技术同源性”，二者均验证了“中子可在可控状态下安全运用”，不过HINEG-II的定位为“科研设备”，不会直接用于医疗，医疗方面的应用还需单独进行技术转化与临床验证。

还有一个容易被人忽略的事儿哈：核聚变的关键原料“氘”在海水里到处都能见到（每一升海水大概含33毫克。

国家海洋局发布的《海洋能源资源报告》曾经算过：“要是把全球海水中的氘都拿去搞核聚变，从理论上来说，能够满足人类好长一段时间的能源需求，。

不过这并不意味着现在就能大规模使用氘了——HINEG-II的突破仅仅为破解聚变能源应用难题提供了基础研究方面的支撑，就如同古人知晓石油能燃烧，但得先发明内燃机才能大规模使用一样，聚变能源的商业化还需长期探索。

从技术细节来讲，HINEG-II能稳定运作，仰仗着三项核心设计，每一项都直接和“稳定运作”以及“科研支撑”挂钩：

强流离子引出技术：能把离子束流强度稳定控制在50毫安。

凤麟核基地的工程师李娜解释道：“这就好比高压水枪来把控流量——要是水流太细，那就没办法引发稳定的聚变反应；水流要是太粗吧，还会把装置内部的组件给冲坏，。

我们通过上千次精细调试，找到了既能持续引发聚变反应，又不损伤设备’的最佳区间，这50毫安的稳定束流，正是每秒13万亿个中子持续产出的‘动力基础’，没这个稳定的‘源头后续的材料测试、机理研究都没法开展。

高密度聚变氘氚加载技术：把氘氚气体密度提高到每立方厘米有10得19次方个粒子，简单来说，这就好像为聚变反应“准备好燃料”——只有氘氚离子浓度足够高，它们碰撞发生聚变的几率才会增大，才能保障中子产出量稳定、不发生波动，为科研人员提供“持续且均匀的中子源”，避免因“燃料不足”致使实验数据出现失真状况。

超高功率中子靶：采用钨铜合金材质打造，可承受每平方厘米达10兆瓦的热负荷。

得晓得中子产生的时候会释放出好多热量，要是靶材它耐热的本事不行，那可就特别容易熔化或者变形，一这样就会让装置停掉运转。

而钨铜合金具备高导热且耐高温的特性，可及时将热量导出，使靶材不被高温中子破坏，这也是HINEG-II能连续稳定运转100个小时的“关键依靠”。若靶材损坏，不仅100小时无法保障，就连10小时或许都难以维持。

中科院等离子体所的评估报告里也提到，这三项技术对于“聚变材料测试”起到了关键的保障作用，能够让相关实验的重复性和精准度大大提高，让科研人员所获取的“数据更靠得住”。

从科研维度来讲，HINEG-II的核心价值主要展现在三个方面：

1.给聚变堆材料做“极限体检”

未来聚变堆的核心材料，如我国自主研发的CLAM钢，需在1亿摄氏度、高中子辐照的极端环境中保持稳定，若材料在该环境下变脆、被腐蚀等，聚变堆便无法安全运行，HINEG-II可模拟这种极端环境，检测材料是否出现此类问题，如同给材料“挑毛病”，只有通过测试的材料，才可用于制造聚变堆。

国际热核聚变实验堆（ITER）的相关负责人也说：“聚变堆材料的研发是全球共同面对的难题，HINEG-II给出的测试数据能作为国际合作的参考，帮大家缩短研发周期。”

2.给核聚变机理研究“拍高清视频”

以前科研人员对于氘氚聚变的了解大多是依靠理论模型，就好比“凭着想象去猜反应的过程”，

而HINEG-II可凭借中子探测器捕捉“中子释放的时间以及能量分布情况”，如同用高速相机拍摄“化学反应的关键步骤”一般拥有实际观测资料后，科研人员便能更精准地修正理论模型，明晰“聚变反应里能量传递的方式”“粒子运动的状况”，这些基础认知乃是优化聚变堆设计的前提。

中国聚变工程实验堆（CFETR）的研究人员就表示：“以前是纸上谈兵’，现在有了真实数据，我们对聚变的理解才更扎实。”

3.给聚变工程方案“做技术验证”

我国正在推进BEST紧凑型聚变装置，计划探索“高温等离子体稳定运行”及“小规模发电演示”等技术路线。而HINEG-II已经对BEST所需的“强流离子源”“高功率靶”等关键技术进行了验证——犹如先在HINEG-II处“试错”将成熟技术应用于BEST，以降低BEST研发风险。

不过需要说明：HINEG-II与BEST属于“不同阶段的研究装置”，HINEG-II专门开展“基础测试”，BEST主要专注于“应用探索”，二者是一种“接力”关系并非一蹴而就，BEST也不能即刻发电，还需逐步推进。

从国际范围而言，美国、英国等国家也在推进聚变能源的研究，美国的HelionEnergy正在开展聚变发电装置的研发，英国的TokamakEnergy正在搭建“ST40”装置全球科研界凭借合作与竞争，共同推动聚变技术向前发展。

我国HINEG-II的突破，相当于给全球研究多了一个“靠谱的实验平台”，但目前所有聚变相关装置都还处于“基础研究或小规模验证”阶段商业化应用还没有明确的时间表。

理性看待：从实验室到实际应用，还有多远，

或许会有人嘀咕说：“HINEG-II这类设备，普通老百姓啥时候才能真真切切地感受到它带来的影响？

科技从实验室走向实际应用，需经历技术转化、规模化验证、成本把控等多个阶段，此过程或许要耗时几十年，以2010年为例，没人能预见智能手机会如此迅速地推动移动支付普及；当下聚变研究的每一次进展，都是在为未来奠基。

馆内会设置三个互动区域：其一为“中子探秘区”，通过“手电筒光柱模拟中子可控性”的对比实验，使人们能直观知晓“脉冲式可控中子”为何是安全的；其二是“聚变材料区”，展出CLAM钢等聚变堆材料的实物样本，还可利用AR技术模拟材料在高温、高辐射环境下的变化；其三是“能源未来区”，以动态模型演示从HINEG-II到BEST装置，再到未来聚变发电站的技术演进路线。