403秒刷新世界纪录，对中国“人造太阳”要心里有“数”

导读：

2022年12月5日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）首次实现核聚变的能量正增益，为惯性约束核聚变取得了里程碑式成就。详情回顾《核聚变首次“扭亏为盈”，人类能否掌握星际能量，突破文明维度？》

近半年之后，中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）也在核聚变托卡马克路线上取得了重大突破。世界顶尖科学家论坛邀请上海电力大学核工程与核技术专业负责人黄凯博士对此进行了解读。

阳光下一个肥皂泡闪耀着五彩浮光，微风托扶，它轻悠悠地飘荡，因脆弱而更显迷人。大家都希望它存在得久一些、再久一些。

4月12日晚9时许，中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）的真空腔里，在1亿多度、1兆安电流下悬浮着的等离子体“也像是肥皂泡一样”，上海电力大学核工程与核技术专业负责人黄凯博士用形象的比喻帮助我们理解，“所有人都努力想让它运行的时间更长久一些。”

中国全超导托卡马克核聚变实验装置EAST

403秒！

EAST一举刷新了2021年它自己创造的101秒世界纪录，将稳态高约束模式下等离子体运行的时间提升到了403秒。时长的增加是倍数级的，人类迎向“人造太阳”的方式“从爬行变成了奔跑”！黄凯博士对此深感振奋。许多科学家也认为，这对于“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”。

但在磁约束可控核聚变领域，“脱离温度谈约束时间是没有意义的”，所以黄凯博士还格外看重另一个数据：温度。

1.2亿度！

这是此次创纪录等离子体运行时真空腔内的开尔文绝对温度，黄凯博士认为这已经达到了“相当高的水平”。回顾2017年，EAST当时创下100秒世界纪录时温度“只有5000万度，等离子体处于中低约束模式”；到2021年，持续时间达到了101秒的新纪录，并且“等离子体已经处于上亿度的高约束模式下”。所以正是1.2亿度“高约束模式”，才使得403秒的时长尤显珍贵。

1兆安电流！

真正的“人造太阳”，需要满足上亿的温度、千秒级连续运行的时间，还需要1兆安的等离子体电流。“这三个数值越高越好，它们的乘积必须高于一个阈值，才能出现成功的核聚变反应。”黄凯博士坦陈，“每个数值的提升都很难，需要长久的积累和无数次实验！”

在创造新的世界纪录之前，EAST已进行了十二万多次实验

122254炮！

2006年运行至今，EAST在创下全新纪录之前经历了122254次“shot”。而参与的科学家们喜欢把“shot”叫做“开炮”。122254炮，每一炮背后都有大量的协调和准备。“EAST是个环形圆柱体的庞然大物，它身上不同部位有许多管线、窗口、装置，都对应着各种各样的不同专业。”黄凯教授介绍，这个庞大团队所聚集的数百名科研人员，“每一位在自己领域内都是顶尖的”。

黄凯博士在世界顶尖科学家论坛科普活动中讲解EAST

从零点几秒到403秒

大约二三十年前的教科书上，清楚地写着：等离子体运行时间只能持续零点几秒。对于核聚变领域的科研人员来说，“你的面前有一道无法逾越的鸿沟，那感觉很绝望”，黄凯博士到现在都记得那种感受。现在，零点几秒变成了403秒，“鸿沟变成了溪流”。隔岸相望，“人造太阳”已经不那么遥不可及。

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，上百万个零部件协同工作。“从理论、设备到经验，各方面都在进展。”黄凯博士感慨，“火候到了！”

EAST、CRAFT、CFETR

403秒新纪录显示了中国在可控核聚变托卡马克方向的领先地位，但EAST只是远征的起点。

黄凯博士介绍，“人造太阳”有氘氘聚变、氘氚聚变和氢聚变等多种聚变方式。EAST所采用的“氘氘聚变”是科学家研究基础等离子体物理的通用反应，而在前方聚变工程化的必经之路上还需要进一步过渡到“氘氚聚变”——它最具有聚变能商用化可行性，但难度也更高。

氘氘聚变中所产生的部分微量中子，在1兆安电流下已经像是不安分的子弹。到了在氘氚聚变条件下，将生成能量为14兆电子伏特的超高能中子，这些数量更多、能量更高的中子，会变得更为狂暴、难以驯服。整个装置的结构、材料，实验的各个环节，都将受到更大的考验。

实验中的真空腔内部

一步步接近“人造太阳”的路径，需要理性清晰的设计。

转向高校教育之前，黄凯博士在中科院等离子体物理研究所担任副研究员，在相当一段时间内参与了聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）的工作。所谓CRAFT，可以被理解为将核聚变的整个系统分拆成许多的子系统，科学家们组成了不同的项目组，各自在专有测试平台上开展研究工作。

黄凯博士担任的是“偏滤器部件工程测试平台”课题组的副组长，他负责研究测试的“偏滤器”部件是位于环形真空腔底部的一个沟槽。“核聚变会有20%的能量沉积在真空腔内，我们要通过磁场把核聚变反应生成的氦以及燃料中混入的杂质滤出并吸收掉”。

“当我们把所有的设备部件、实验步骤都研究透彻，就具备了进入下一阶段的能力。”黄凯博士所说的下一个阶段，指的是中国聚变工程实验堆（CFETR）。目前CFRTR已经完成了工程设计，极有可能成为全球首个可控核聚变示范堆。

被视作全球科技合作典范的ITER依然在艰难的推进中

而原本有望成为全球首个示范堆的国际热核聚变实验堆计划（ITER），因为疫情、工程契合度等种种原因，完工时间一再拖延——现在还叠加了地区冲突的影响。“最新消息是最早也要到2025年。”一位刚刚参加ITER会议的同行这么告诉黄凯博士，“但这也许是个乐观的估计。”

黄凯博士曾经说过，ITER项目是“不是一个国家能完成的，甚至可能不是一代人能完成的”，尤其在科技壁垒重新浮现的当下，我们必须对ITER保有希望，必须对国际科学合作保有希望。惟其如此，我们才能造出“全人类共同的太阳”。

学术支持：羽 佳

编 辑：马 俊

责 编：小 文