403秒！中国人造太阳创造新的世界纪录！

发布者：鼓捣么宁 2023-4-15 06:17

4月12日21时，经过十几年聚力攻关，122254次试验，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，刷新2017年的101秒世界纪录。对探索未来的聚变堆前沿物理问题，提升核聚变能源经济性、可行性，加快实现聚变发电具有重要意义。

“一团耀眼的白光从山脉尽头升起……”在科幻小说《三体》中，太空飞船核聚变发动机发出的光芒如同太阳。利用核聚变等技术，人类走出地球家园，成为真正的太空文明。

万物生长靠太阳。太阳之所以能发光发热，是因为内部的核聚变反应。核聚变能源的原材料在地球上极其丰富，且排放无污染，如果能造一个“太阳”来发电，人类有望实现能源自由。

但要造出能实用的“人造太阳”，需要上亿摄氏度的等离子体、超过千秒的连续运行时间和1兆安的等离子体电流，挑战极大。为此，全球科学家们已努力70多年。

形如“巨炉”，一腔“热火”胸中涌。EAST作为国家重大科技基础设施，拥有类似太阳的核聚变反应机制。

4月12日晚，经过十几年聚力攻关，EAST成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，刷新2017年的101秒世界纪录，实验现场一片欢腾。

“Shot:122254。”EAST控制大厅屏幕上的数字显示，这是历经十二万多次实验取得的成功。

“这次突破的主要意义在于‘高约束模式’。”中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛说，高约束模式下粒子的温度、密度都大幅度提升，“这为提升未来聚变电站的发电效率，降低成本奠定了坚实物理基础。”

4月12日，科研人员在EAST控制大厅庆祝实验成功

据悉，EAST装置上有核心技术200多项、专利2000余项，汇聚“超高温”“超低温”“超高真空”“超强磁场”“超大电流”等尖端技术于一炉，由超高真空室、纵场系统、极向场系统、内外冷屏、外真空杜瓦及支撑系统等六大部件组成。其中，EAST装置的核心部件之一——外真空杜瓦由上海电气核电集团成功研制，作为安全保护装置，承担来自托卡马克基本装置的所有载荷。此外，上海在核聚变关键技术领域也在积极布局，将为探索能源终极方案作出上海贡献。上海能量奇点公司完成了首台全高温超导托卡马克装置洪荒70（HH70）的设计工作，计划于2023年建成运行。激光等离子体物理学家张杰院士带领相关团队联合开展新型直接驱动惯性约束激光核聚变技术研究。上海磁-惯性约束核聚变能源系统关键物理技术预研项目已列入国家“十四五”重大科技基础设施项目。

目前，下一代“人造太阳”中国聚变工程实验堆已完成工程设计，未来瞄准建设世界首个聚变示范堆。

什么是核聚变

首先，按照定义：核聚变，即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量。因为化学是在分子、原子层次上研究物质性质、组、结构与变化规律的科学，而核聚变是发生在原子核层面上的，所以核聚变不属于化学变化。

值得一提的是，在此过程中，物质没有守恒，因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子（能量）。这一过程遵循爱因斯坦质能方程，正因为核聚变带来的巨大能量，核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程。

核聚变是怎么发生的呢？

简单来说，两个轻核在因都带正电荷而彼此排斥，然而当这两个轻核的能量足够高，且迎面相遇，它们就能相当紧密地聚集在一起，从而能够克服库仑斥力而发生核聚变反应。

核聚变示意图

为什么此次试验被称作“人造太阳”试验

核聚变是给活跃的或“主序的”恒星提供能量的过程，核聚变形式之一的热核聚变是宇宙中一种普遍的能量形式，比如，太阳就是一个巨大的热核聚变反应炉。这也正是为何我们的受控核聚变研究被通俗的称为“人造太阳”的缘故。

热核聚变研究的时间轴

1920年，亚瑟·爱丁顿提出氢氦聚变可能是恒星能量的主要来源。

1932年，在卢瑟福的核嬗变实验基础上，马克·奥利芬特完成了氢同位素的实验室聚变。

1930年代，汉斯·贝特提出了恒星核聚变主循环的理论。

1940年代初，作为曼哈顿计划的一部分，用于军事目的的核聚变开始被研究。

1951年，在核试验中完成了核聚变。

1952年11月1日，在常春藤麦克氢弹试验中首次进行了大规模核聚变。

正如裂变技术从原子弹发展到民用裂变电站的历程一样，氢弹实验成功后，自1950年代起，人类开始研究用于民用目的的受控热核聚变。

托卡马克与ITER

目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸；可控核聚变从现阶段的研究来看，主要采用磁约束聚变和惯性约束聚变两种不同途径。

目前国际上主流的方案是使用托卡马克（Tokamak）技术来达成磁约束核聚变。托卡马克这个词是转写俄语单词токамак，是一个缩写：它的名字Tokamak来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）。指的是“带有电磁线圈的环形真空室”。

托卡马克最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的物理学家伊戈尔·塔姆，安德烈·萨哈罗夫，和列夫·阿齐莫维齐等人在1950年代发明的，如今已在世界范围内被采用，成为最有前景的磁约束核聚变装置。

它的中央是一个环形真空，外面围绕着线圈。通电时其内部会产生巨大螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高温度，以达到受控核聚变的目的。

经演化后的托卡马克装置线圈基本构造

20世纪70年代后期到80年代中期，世界各国陆续建成了五个大型的托卡马克装置，我国的先进实验超导托卡马克实验装置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）正是在这个大背景下建造成功的。

EAST原名HT－7U，又被称为东方超环，是中国科学院等离子体物理研究所在安徽省合肥市建设的世界第一个全超导磁体托卡马克核聚变反应试验性装置，属于中国国家“九五”重大科学工程。EAST融入了几十年来的聚变研究成果，这次成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒的里程碑成果，表明中国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面，开始引领国际前沿，这对ITER的建设和运行具有重大的科学意义。

国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）是目前正在建设的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆，位于法国南部的卡达拉舍。ITER始于1985年，里根-戈尔巴乔夫倡议，苏联，欧盟（通过欧洲原子能共同体），美国和日本参与初步设计，中国于2003年加入该计划。2006年5月24日，参加这一项目的欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方代表草签了一系列相关合作协议，标志着这项计划开始启动。

ITER的使命是展示聚变发电的可行性，并证明它可以不造成负面影响。ITER计划的托卡马克装置将成为世界上最大的托卡马克装置，其体积是目前运行的最大托卡马克装置的两倍，其等离子体反应室容积也是其10倍。

根据ITER计划此前发表的公报，通过对项目进展的评估，托卡马克装置有望在2025年首次开机产生第一炮等离子体，这也是ITER数十年运行计划的第一步。