作者 | 《中华儿女》记者 陈晰
编辑 | 华南
对于核能这种高效、清洁的能源，人们早已不再陌生。被称为“未来能源”的核能，主要有“核裂变”能和“核聚变”能两种形式。前者早已通过各地兴建的核电站走进千家万户，而后者因其复杂的反应条件和更高的技术要求，至今仍处于实验阶段。由于与太阳发光发热的原理相同，可控核聚变实验装置又被称为“人造太阳”，是人类寻找能源出路的希望。中国青年科技工作者协会（简称“中青科协”）理事、中国科学院等离子体物理研究所研究员、中国科技大学博士生导师郑金星，就是一位投身核聚变能研究领域，为点亮“人造太阳”而不懈奋斗的青年科学家。
在极端冷热负荷服役环境聚变高温超导磁体性能测试现场调试工作
2014年博士研究生毕业后，郑金星留在中国科学院等离子体物理研究所从事中国聚变工程实验堆超大型磁体系统研制工作。十年来，他带领团队完成了纵场超导磁体实验件的工程设计工作，并开展了多组不同类型大型超导磁体处于大载流和高磁场快变波形切换极端环境超导磁体内交流损耗计算方法研究，解决了聚变堆实现高伏秒、高安全稳定裕度、高氚增值包层空间耦合磁体设计难题，为聚变堆等离子体长脉冲稳态运行提供可靠研究手段。承载着几代中国聚变人的梦想，郑金星作为青年科研人员中的一员，奋战在核聚变研究的第一线，为早日实现可控核聚变，解决人类能源问题贡献着属于自己的一份力量。
接受采访时，郑金星首先向记者通俗地介绍了“人造太阳”背后的原理——“核聚变反应”是一种将两个较轻核子聚合产生较重核子的能量反应。以氘原子核和氚原子核为例，这两个原子核聚合之后会生成氦和一个中子，在这个过程中会有非常微小的质量损失。根据爱因斯坦的质能方程，能量等于质量乘以光速的平方，所以微小的质量损失就转换成了巨大的能量。
太阳产生巨大的能量、氢弹爆炸都是聚变反应，这些过程会释放巨大的能量，产生数亿焦耳的热量。如何通过人工控制核聚变反应，利用核聚变过程产生的巨大热量来发电，就是可控核聚变的最终目标。
那么，可控核聚变为什么被称为“终极能源”？郑金星解释：首先是因为它具有丰富的燃料。核聚变燃料主要来源于海水中的氢同位素——氘和氚，一旦可控核聚变实现，海洋就是一个无穷无尽的能源宝藏。其次，聚变反应过程是清洁无污染的，其产物是无放射性的氦和中子，无毒无害，也不会产生温室气体，更有利于保护环境。核聚变另一个优势就是能量密度高，2克的氘和3克的氚可以产生约1.68万亿焦耳的能量，相当于数十吨煤炭燃烧或20克铀235裂变产生的能量。“可控核聚变为我们提供了一种理想的能源解决方案：清洁、安全、经济，如果可控核聚变实现商业化，不仅能够带来巨大的经济效益，还将促进能源结构的绿色转型，为解决能源危机提供可行技术途径。”
郑金星告诉记者，由于核聚变产生的能量非常大，目前美国、日本、欧洲等国家都在大力开展核聚变研究，都计划在第一代核聚变反应堆使用氘和氚作为燃料。理论上，只要有几克这些反应物，就有可能产生一万亿焦耳的能量，这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量。
然而实现核聚变绝非易事。核聚变反应中的粒子处于称为“等离子体”的物质状态中，是不同于固态、液态和气态的第四种物质形态。要实现聚变反应，必须将等离子体加热到1000万摄氏度以上，发生剧烈碰撞，以克服原子核之间的电排斥力，才能发生聚变反应。人类实现可控核聚变，原理类似太阳利用核聚变发光发热的过程，只是约束的方式不同。太阳的内部温度约为1500万度，远低于目前人类开展聚变研究时能达到的上亿度温度，但由于太阳自身巨大的质量，导致其内部可产生极大的引力，也可克服原子核内部的电排斥力，发生聚变反应。人类无法实现与太阳内部同等量级的吸引力，只能通过提高聚变反应温度来实现聚变反应。
因此，可控核聚变的主要技术难点主要包括两个方面，一是如何将等离子体加热到上亿度高的温度，二是如何在温度上升到上亿度之后，将等离子体的密度进一步升高，并将其限制足够长的时间。
“等离子体加热方式已被探索了约30年，主要有欧姆加热、中性粒子束注入、射频波加热等方式，这几种加热方式结合起来，功率可达30MW以上量级”，郑金星介绍，比如中国科学院等离子体物理研究所自主建设的东方超环EAST装置就采取了电子回旋与低杂波协同加热的方式，已经创造了1.6亿度的运行世界纪录。
高温高密度等离子体约束是另外一个技术难点，目前没有任何一种材料可以承受上亿度高温。因此，科学家想到了用强磁场来约束高温核聚变燃料的办法。如何实现极端高温、极端低温共存，实现超导磁体的安全运行，保障上亿度的等离子体长时稳定约束，从而产出聚变能量，这也是目前郑金星从事的磁约束聚变研究正在攻克的关键技术难题。
郑金星说，可控核聚变是一个多物理交叉的前沿学科，目前在物理层面、材料层面都还存在很多亟待攻克的关键难题，目前世界主要国家都在加强协作，共同攻克这一关键难题，为人类解决能源问题提供最优路径之一。
打造约束等离子体的“磁笼子”
郑金星现任中国科学院等离子体物理研究所装置主机工程研究室主任。他介绍，装置主机工程研究室的研究团队是一个多学科交叉的团队，成员主要来自聚变超导磁体、聚变装置内部部件、材料科学、装置内部遥操作维护等领域。
郑金星主要的研究方向是聚变堆超导强磁约束技术研究工作。通俗点说就是构造一个满足可控核聚变运行要求的“磁笼子”，来实现高温高密度等离子体的约束。郑金星说，这个“磁笼子”包括几十组不同类型的极高磁场超导磁体，能在-269℃的极低温度下保持超导态运行，产生约为地球磁场20万倍的极高磁场，来约束上亿度高温等离子体。他告诉记者，这里面的核心难点是如何优化磁场位型来满足不断变化的高参数等离子体磁约束要求，同时在极端运行工况下实现聚变超导磁体安全稳定运行。针对这一难点，郑金星和团队开展了长年的技术攻关。
在高精度等离子体约束磁位型优化方面，郑金星和团队提出了强电磁环境下提高等离子体磁位型精度的Saddle波纹度补偿方法，提高了对等离子体的有效约束，相关方法应用于我国首台大型反场箍缩聚变实验装置KTX上，同时应用于美国空间磁重联物理装置FLARE磁体系统研制。在聚变高场超导磁体性能提升和工程研制方面，他们建立了超导临界特性演变数学模型、新型多尺度交流损耗计算方法、运行稳定性裕度精确评估模型等，为聚变高场超导磁体安全服役性能研究提供了系统理论方法。在此基础上，郑金星带领团队完成了中国聚变工程实验堆CFETR大型超导磁体系统详细工程设计，承担了国家十三五聚变堆主机关键系统综合研究设施CRAFT项目研究任务，团队还参与了目前在建的世界上最大的国际热核聚变实验堆ITER装置建设和超导磁体研制等工作。目前，他和团队正在全力开展新一代聚变装置大型超导磁体系统设计和关键技术研究工作。
在推进聚变装置建设的同时，团队也承担了多项国家重点研发计划专项，完成了大型加速器装置电力系统调节高温超导储能磁体系统研发。值得一提的是，郑金星和团队研究的超导磁体核心技术除了用于探索“终极能源”，还推广应用于更多重要领域，如600公里/小时高速超导磁浮、空间超导磁等离子体电推进和航空全电推进超导电机系统等，服务于国家重大战略研究领域。
攻克聚变高场超导磁体核心技术难题
郑金星介绍，聚变高场超导磁体具有两大显著特点，一个是超导体电场与电流之间存在高指数非线性；一个是大型超导磁体具备高结构尺度比特性，从微米级超导丝、到毫米级超导导体、再到米级超导磁体系统。这两个特性导致聚变高场超导磁体损耗计算建模时网格量和自由度达到百万甚至千万量级，每次计算均耗时数天，经常导致大型服务器崩溃，严重阻碍了超导磁体优化进程，并且相关计算方法和商业软件均被欧美日等单位垄断。
研究所团队集体参加美国应用超导大会学术交流合影
为了突破这一关键瓶颈，郑金星带领团队组建起攻坚小组。他们历时两年，提出了全新的“高效率多尺度交流损耗计算系统模型”，并完成了计算程序开发，实现交流损耗、稳定性裕度等核心参数精确评估，解决了中国聚变工程实验堆CFETR超导磁体原型件工程设计中损耗计算和稳定性裕度评估等核心技术难题，保障了项目的顺利推进。
培养“勇于探索，追求创新”的科技人才
回望自己的科研道路，郑金星说，从小到大对自己影响最大的人是父亲。“我的父亲一直要求我要做一个脚踏实地、一步一个脚印的人，在学习和工作中不怕吃苦，敢作敢当，做一个有长远目光、愿意做基石的人。父亲对我人格品质的教诲和要求也是我激励自己静下心持续努力的最大动力，让我遇到困难时要沉着冷静，认真看待问题，解决问题，不断努力和进步。”
除了父亲的教育和培养，在人生的关键节点指引郑金星走上科研道路的，是他硕士研究生导师刘全坤教授，“他是最早一批到德国斯图加特大学深造拿到博士学位的国内留学生。当时我们是导师退休前带的最后两批研究生。”郑金星回忆，“硕士研究生毕业前我已经和国内一家央企签了就业协议。当时在我的心目中到国家最需要的工业领域发展是实现个人理想的最佳途径，但导师建议我继续深造，并且帮我联系了中国科技大学等多家国内同领域导师。”让郑金星记忆深刻的是，导师语重心长地跟他讲了当年自己在德国读博士、后来回国筹建和发展学科，以及从技术落后到慢慢追赶国际前沿的艰难经历。老师的一番话让他意识到自己还需要继续努力，进一步提升能力。于是，郑金星改变了原来的选择，进入中国科学院研究生院攻读博士。
在中国科学院读博士期间，郑金星在导师宋云涛研究员的带领下进入聚变研究领域。“导师给我提供了很好的平台和学习交流的机会，为了让我学习国际最新的聚变研究成果，送我去普林斯顿大学接受联合培养。其间，我切身感受到了国内在聚变基础科学研究领域的差距，同时也下定决心增强自己的能力。在普林斯顿等离子体物理实验室的学习，也拓展了我的学术视野。在博士研究生毕业之后，我也一直保持与国外知名研究机构的国际合作与交流。”
回顾自己的求学之路，郑金星说自己是幸运的。“一路走来指导和培养我的几位导师，不仅是我的科研导师，也是我的人生信念导师。”
现在，郑金星也在带博士生。作为中国科技大学博士生导师，他将自己的教学理念总结为“勇于探索，追求创新”。
“博士研究生是我们大科学装置建设的新生力量，也是未来科研工作的主力军，因此博士生培养一直是我们科研工作的重中之重。”在谈到对青年人才的培养工作时，郑金星说，聚变研究中遇到的很多问题都是无经验可参考的，因此作为导师，会重点培养博士研究生的开展前沿基础科学研究的能力和学科交叉思维、在面对难题时勇于探索的创新和自信精神，打好基础，发散思维，努力找寻科研工作中的创新方向，产出有创新意义的科研成果。
科普，点亮青少年心中的“科技梦”
为了在更多青少年心中种下科学的种子，郑金星在科研工作之外，也一直积极参与科普工作，向来参观东方超环的青少年介绍什么是核聚变，核聚变对我国能源事业的重要性，面向青少年群体传播大科学装置精神。在担任中国科学院青年创新促进会合肥分会会长期间，他多次联合合肥科技馆在安徽金寨等地组织开展面向革命老区中小学的科普宣传活动。同时他还担任合肥市稻香村小学的科学副校长，支持小学的科普和科学精神培养工作。
对于心怀科技报国梦想的年轻人，郑金星也结合自身经历给出诚恳的建议：“首先要有勇于探索和创新精神，对科研过程中的不确定性和困难要有清晰的认知，培养自己的探索精神；其次要能静下心来开展基础科学研究，基础科学研究对于科技进步至关重要，当然基础科学研究也会有些枯燥，有时候会遇到挫折和各种诱惑，我们要能静下心来安心做好科研；最后是要敢于面对挑战和具有担当精神，科技进步需要不断地试错、修正，我们要敢于面对科研过程中各种未知的问题，敢于担当，敢于挑战，这样才能不断进步。”
在繁忙的工作之余，郑金星尽可能抽出时间来陪伴家人，在他心中，家人是自己奋斗的动力，也是情感的归宿。他也一直保持运动的习惯，坚信好的身体是革命的本钱，“我在工作之余会去跑跑步，跟家人和朋友一起打打羽毛球，让身心始终保持一种积极的状态”。不断学习，是郑金星另外一个坚持多年的习惯。“我一直在尝试学习专业以外的新知识，不断开阔自己的视野，培养自己的交叉思维能力，好奇的交叉思维是创新的来源。”
在中青科协的平台上收获与成长
因为在科研和人才培养工作中的突出成就，郑金星先后入选中国科协“青年人才托举工程”、“中国科学院青年创新促进会优秀会员”、安徽省学术技术带头人、国家自然科学基金委优青、2021年美国《麻省理工学院技术评论》第二十一届全球35岁以下科技创新者（MIT TR 35 Global）等，主持国家重点研发计划、中国科学院重点部署、国家自然科学基金重点项目、美国能源部国际合作项目等10余项，并担任中青科协理事、中国电机工程学会电工理论与新技术专委会委员，中国电工技术学会标委会超导专业分会专委，IEEE NPSS核与等离子体委员会委员、第28届国际磁体大会、第30届国际聚变工程大会技术委员会委员等。
谈起与中青科协的渊源，郑金星介绍：中国科学院有个面向青年学者的组织——青年创新促进会，是中国科学院对全院35岁以下青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。郑金星2015年加入中国科学院青年创新促进会，并先后担任青年创新促进会合肥分会会长、青年创新促进会工装分会副会长。“中青科协和中国科学院青年创新促进会经常有合作交流，让我进一步了解到中青科协这个平台，并加入其中。”
中青科协一直致力于加强人才托举培养、科技成果转化、国际合作加强等。郑金星切身感受到这些具体的、促进科研工作的举措取得了很好的效果：“大批优秀青年科技人才涌现，众多科技成果成功实现了从实验室到市场的转化，带动了相关产业的升级和发展。推动了项目的落地和产业化，同时通过加强国际科研项目交流和科技合作，提升了中国青年科技工作者的国际影响力和竞争力。”
郑金星说，加入中青科协以来，随着科研工作的不断深化和科研范围的不断拓展，科研工作不仅仅限于研究所和高校，也越来越多地与企业相关联，政府单位也更加关心青年科技工作者的需求，并积极制定相关政策，为青年科技工作者提供更好的政策指引。“中青科协在这几方的沟通交流中充当了十分重要的角色，不仅是党和政府联系青年科技工作者的重要途径，也是青年科技工作者与企业相互沟通、相互成长的桥梁。”
在中青科协，郑金星也切实感受到了优质平台的重要性。比如中青科协的“青年科技成果直通车”项目，搭建起了青年科技工作者与政企之间的沟通平台。“我是做聚变超导磁体技术研究的，超导磁体技术不仅仅可用于聚变装置，也可用于很多其他产业，通过中青科协这个平台，我也了解到了超导磁浮、航空高温超导电机等产业对于超导磁体技术的需求，并在此基础上开展了超导磁体技术产业化的相关工作。”
近年来，中青科协一直积极推进青年创新人才培养工作，通过组织学术交流、技术培训、项目对接等活动，为青年科技工作者提供创新交流的机会。同时还设立了相关基金和奖项激励，为青年科技工作者争取更多的研究资源、发展机会和政策支持，这些实实在在的举措都让郑金星十分受益。
为我国聚变能研究和能源事业贡献青春力量
党的二十届三中全会审议通过《中共中央关于进一步全面深化改革、推进中国式现代化的决定》，面向2035年基本实现社会主义现代化，对深化科技体制改革作出新部署。郑金星表示，深入学习党的二十届三中全会精神，特别是关于教育、科技、人才作为中国式现代化基石与战略支柱的论述，对于自己从事的磁约束聚变能研究工作，具有深远的意义和启示。“全会强调要深入实施创新驱动发展战略。对于聚变能研究这一前沿交叉学科领域，单一学科的科研工作已无法解决系统性的难题，必须坚持科技创新，不断探索新技术、新方法，加强学科交叉与科技交流，共同解决聚变能研发过程中的难题至关重要。同时，我们还要加强国际科技合作与交流，借鉴国际先进经验和技术成果，推动我国聚变能研究水平的不断提升。”
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全会指出要深入实施人才强国战略，这也让郑金星在倍感振奋的同时感到使命在肩，“这为我们加强人才队伍建设提供了有力支持。在聚变能研究中，我们需要引进和培养一批具有国际视野和创新能力的高层次人才，形成一个结构合理、素质优良的研究团队。近几年我们一直在加强研究生招生宣讲，为聚变事业研究储备更加优秀的后备力量，同时也在加强人才引进工作。我们也一直在加强人才培养的连续性和稳定性，建立完善的人才培养机制和激励机制，为人才的成长和发展提供良好的环境和条件。”
立足新征程，这位科研道路上的“追光者”信心坚定，满怀热忱：“党的二十届三中全会精神真真切切给我们的科研工作指明了一个更加清晰的发展方向。在第八个‘全国科技工作者日’之际，习总书记回信勉励全国广大科技工作者：‘创新是引领发展的第一动力，科技是战胜困难的有力武器。’在未来的工作中，我们团队将继续秉持创新精神和务实态度，充分发挥科技创新在发展新质生产力中的重要支撑作用，在可控核聚变事业发展进程中做好自己分内的工作，为我国的聚变能研究和能源事业贡献自己的力量。”
