戍天九思：建“人造小太阳”数字孪生体或是实现可控核聚变的捷径

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　　谁赢得第四次工业革命，谁将赢得未来！

　　有人说：第四次工业革命是智能革命。也有人说：第四次工业革命是动力革命。那么，第四次工业革命到底会是什么？

　　笔者认为，关键看智能革命和动力革命，哪一个来得更快？回顾历史，第一次工业革命发明了蒸汽机，带来了动力革命；第二次工业革命发明了电力和内燃机，也带来了动力革命；第三次工业革命发明了互联网，带来了信息革命；第四次工业革命会发明什么，带来了什么革命？也许是动力革命，也许是信息革命，也许是两者的叠加。

　　从信息革命的角度来看，人工智能和数字孪生是数字经济和信息革命最为看好的两大硬科技；从动力革命的角度来看，可能的技术有太阳能、风能、地热能和潮汐能等技术，但最看好的可能还是可控核聚变技术。

　　中国要想引领第四次工业革命，能不能考虑像当年美国曼哈顿工程和阿波罗计划那样，中国也筹建一个超级国家工程，把动力革命和信息革命两者的核心技术有机结合起来？比如，建一个“人造小太阳”数字孪生体作为可控核聚变的破局点，加速推动可控核聚变和人工智能、数字孪生技术的突破，以此引领全球动力革命和信息革命！

　　数字孪生体是数字经济和信息革命的硬科技

　　所谓数字孪生体，就是把物理世界中的一个对象以数据的形式映射到数字空间当中。它不是对物理对象的简单克隆，而是一套独立于物理对象的数字系统。它不仅能还原本体的内部状态、外部环境，还能跟物理世界进行实时互动。

　　从本质上看，数字孪生体并不是一项帮我们把现实世界搬到数字世界的技术，而是一套帮助现实世界变得更好的解决方案。而这也是几乎所有技术创新都需要坚守的价值原点。

　　2009年，美国国防部高级研究计划局正式提出“数字孪生体”这个概念，强调：这是一套能够实现物理世界和数字空间交互的新技术范式。

　　2012年，美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字孪生体论文，并把它列为驱动未来发展的关键技术之一。

　　2019年，中国成立“数字孪生体联盟”，这是全球第一个数字孪生体的行业组织。

　　2020年，美国和德国也成立“数字孪生体联盟”组织。说明从2020年开始数字孪生体已经开始在国际范围内受到重视。

　　数字孪生体技术最先应用于航空航天领域，随后拓展到工业、医疗、城市管理等多个领域。目前，“数字孪生”已经在越来越多的国家、城市受到关注，全球数字孪生体产业已经初具规模。未来，可能颠覆我们的生活。

　　在中国，2018年，中国发布的《河北雄安新区规划纲要》明确提出：“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施，推动全域智能化应用服务实时可控，建立健全大数据资产管理体系，打造具有深度学习能力能力、全球领先的的数字城市”，之后还提出要“以数字孪生城市的预建、预判、预防来支撑实际城市的具体建设工作”。

　　除此之外，在海南、贵阳、南京等地的政府工作报告中，也出现了利用“数字孪生”来加强城市管理的计划。

　　中国要建小行星监测预警系统，还提出：开发近地小天体防御仿真推演软件并组织开展基本流程推演。笔者认为，这实际上是一个数字孪生体，也是一项国家级大工程。

　　在国际上，2020年以来，一些国家已经把数字孪生上升为国家战略。英国发布了《国家数字孪生体原则》，阐述了构建国家级数字孪生体的价值、标准、原则及路线图；美国的工业互联网联盟把数字孪生作为工业互联网落地的核心和关键，还组建了数字孪生联盟；德国“工业4.0”参考框架也把数字孪生作为重要内容；新加坡率先搭建“虚拟新加坡”平台，用于城市规划、维护和灾害预警项目；法国也在推进数字孪生巴黎建设，打造数字孪生城市样板。

　　可控核聚变是动力革命的希望和全球攻坚难点

　　笔者在《突破1.2亿度101秒！离核聚变发电还有多远？》一文中有过介绍，中国坚持自建和国际合作两条腿走路。中国在合肥建了一个超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），该装置运行15年进行了超过 98958次放电，先后实现了1兆安、1.6亿度、1056秒的等离子体运行三大目标，这是最好的世界记录。向核聚变燃料点火成功又走近了一大步！

　　同时，中国还积极参与ITER国际核聚变实验堆。2007年8月，ITER国际聚变能组织正式成立，费用按比例分摊。2010年ITER才正式开建，但是，项目管理混乱、进度一拖再拖。直到2020年7月28日，ITER才启动重大工程安装仪式。

　　中国通过参与ITER，获得了不少关键技术。于是，中国开始酝酿自己建造一个同等规模和技术水准的装置。2020年12月4日，中国环流器二号M（HL-2M）在成都双流建成并实现首次放电，实现了后来者居上。目前，这是仅次于ITER的全球第二大托卡马克核聚变实验装置，也是下一步中国突破核聚变发电技术的希望所在。

　　但是，这种“人造小太阳”实验周期长、成本高、特别费电，离点火成功还有很大差距。目前，地面“人造小太阳”最大技术瓶颈是需要强磁、强电流，用超强磁力抵消重力，让温度上亿度的核燃料悬浮在空中，实现“无容器材料实验”。

　　建“人造小太阳”数字孪生体或是动力革命和信息革命的突破口

　　中国有了“人造小太阳”试验经验和大数据，又有大量的建设数字孪生体的实践，为了进一步缩短周期、降低成本，可考虑集中全国这方面的专业力量，筹建“人造小太阳”数字孪生体。以后，还可发展为数字核聚变实验堆，甚至跨过实体核聚变实验堆，最终一步到位直接建核聚变发电反应堆。

　　当然，这是一项难度惊人的国家级工程，只有举全国之力长时间攻关才可能实现。但是，功在当代，利在千秋。一旦突破，可控核聚焦变能源就是白菜价的，而且取之不尽、用之不竭、一劳永逸、绿色无污染，必将彻底打开经济发展的能源天花板。如果因此实现可控核聚变，那么，“人造小太阳”数字孪生体工程就会比美国曼哈顿工程和阿波罗计划还要意义深远！中国有举国体制优势，也有这方面的底气，华为的数字孪生技术就很领先。

　　笔者甚至更为大胆的设想：可考虑在空间站建一个小型“人造小太阳”。这样，可充分利用太空微重力环境，不需要超强磁场也可实现无容器材料实验。其实，笔者这一设想也不是毫无依据。

　　2022年3月23日下午，“天宫课堂”第二课在中国空间站开讲，王亚平在“天宫课堂”上视频展示了锆金属熔化与凝固实验。

　　一个锆金属小球悬浮在实验腔体中，先后经过悬浮控制、激光加热、测量物性、再辉、样品冷却凝固、回收等环节。最高温度可达2000多度。

　　这就是无容器材料实验。实验样品可以在微重力环境下通过静电场实现悬浮稳定控制，与容器的内表面完全不接触，所以叫作“无容器”。

　　空间应用系统科学实验柜总体主任设计师张立宪介绍，无容器实验柜由无容器实验平台、真空与加压模块、实验电控模块等组成。其中，核心功能模块是包含一个实验腔体的无容器实验平台，科学实验腔上通过窗口安装了半导体激光器、CO2激光器等加热装置，以及单波长测温仪、双波长测温仪、全景相机、高速相机等多种观察与物性测量设备，支持空间材料样品无容器加工实验和热物性测量。

　　笔者认为，中国空间站这种锆金属熔化与凝固实验，工作情况与“人造小太阳”类似，也许就是为太空筹建“人造小太阳”实验探路的。