2021/05/29 11:59

「人造太阳」梦想更近一步：中科院实现可控核聚变重大突破，1.2亿摄氏度「燃烧」101秒创世界纪录

1.2 亿摄氏度「燃烧」101 秒，中国「人造太阳」创造了全新的世界纪录。

「罗辑指着空中的车流说：『看那些飞车，它们耗油或用电池吗？』大史摇摇头，『都不用的，地球上的石油早抽完了，那些车也不用电池，就那么着不停地飞，永远不会没有电，很带劲儿的东西，我正打算买一辆。』」

这是刘慈欣在《三体》中描绘的一段未来场景。在那个世界，人类已经熟练掌握了可控核聚变技术，几乎进入了一个「无限能源」时代。借助这一突破，人类造出了太空飞船核聚变发动机。那些发动机可以发出太阳一样的光芒，它们帮助人类走出家园，在太空建立基地，甚至飞向真正的太空文明。

军港此时正运行在木星的背阴面，在行星表面发出的磷光和上方木卫二发出的银白色月光中，这钢铁的群山静静沉睡着。不一会儿，一团耀眼的自光从山脉尽头升起，一瞬间把停泊的舰队照得清晰无比。直到第二个光团在舰队另一侧升起，章北海才知道它们不是太阳，而是两艘正在入港的军舰，减速时它们的核聚变发动机正对着港口方向。

虽然距离修建太空军港还有很长的距离，但人类的确在实现可控核聚变的路上不断前进。

5 月 28 日，中科院合肥物质科学研究院有「人造太阳」之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造了新的世界纪录，成功实现了可重复的 1.2 亿摄氏度 101 秒和 1.6 亿摄氏度 20 秒等离子体运行，将 1 亿摄氏度 20 秒的原纪录延长了 5 倍。

「人造太阳」1.2 亿摄氏度成功「燃烧」100 秒时，内部的红外影像。图源：中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所。

托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字 Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈，最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在 20 世纪 50 年代发明的。

我国的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）于 1998 年立项，当时叫 HT-7U。为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义，2003 年 10 月，HT-7U 正式改名为 EAST（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak）。2006 年，EAST 工程全面、优质地完成。同年 9-10 月和 2007 年 1-2 月，EAST 装置进行了两次放电调试，成功获得了稳定、重复和可控的各种磁位形高温等离子体。

EAST 拥有类似太阳的核聚变反应机制。它的运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。建成之后的十几年里，EAST 在可控核聚变研究中不断取得突破。

2009 年，EAST 首轮物理放电实验取得成功，标志我国站在了世界核聚变研究的前端；2016 年 2 月，EAST 物理实验再获重大突破，实现在国际上电子温度达到 5000 万度持续时间最长的等离子体放电；2018 年，EAST 实现 1 亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。

如今这项全新的纪录，经历了背后科研团队四十多年的努力。

核聚变能具有资源丰富、无碳排放和清洁安全等突出优点，是人类未来理想的清洁能源之一，可为实现碳中和作出重要贡献。实现核聚变发电的两大难点是实现上亿度点火和稳定长时间约束控制，需要将上亿度等离子体与零下 269 度超导磁体、高热负荷等离子体与壁材料相互作用、动态精密控制等多项极端条件同时高度集成和有机结合，难度和挑战非常大。

本次实现 1.2 亿摄氏度 101 秒等离子体运行，是 EAST 装置首次在国际上采用全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器、稳态高功率波加热等关键技术。

升级改造后的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。图源：中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所。

目前，EAST 上的核心技术有 200 多项、专利近两千项，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。总功率达 34 兆瓦，相当于约 6.8 万台家用微波炉一起加热。让 1 亿摄氏度与零下 269 摄氏度共存，要用地表大气压约一千亿分之一强度的「超高真空」隔热。为支撑这个复杂极端系统，EAST 上近百万个零部件协同工作。

中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所所长宋云涛介绍说，本次 EAST 的新纪录进一步证明了核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定了物理和工程基础。

可控核聚变是什么？难在哪儿？

地球上的能量，无论是以矿石燃料、风力、水力还是动植物的形式储存，最初的来源都是太阳。例如，矿石燃料是由千百万年前的动植物演变而来的，而动植物的能量最终是要来源于食物链底端的植物的光合作用所储存的太阳能。因此，无论人类利用哪一种能源，归根结底都是在利用太阳能，而太阳的能量则是来源于核聚变。

如果人类能够掌握有序释放核聚变的能量的方法，就等于掌握了太阳的能量来源，等于掌握了无穷无尽的矿石燃料、风力和水力能源。因此，可控核聚变反应堆当之无愧地被称作「人造太阳」。

1939 年，美国物理学家贝特通过实验证实，把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，两个原子核发生了融合，形成一个新的原子核——氦外加一个自由中子，在这个过程中释放出了 17.6 兆电子伏的能量。这就是太阳持续 45 亿年发光发热的原理。

核聚变反应堆的原理大致分为两步：

第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这需要大约 10 万摄氏度的温度。

第二步，为了克服库仑力，也就是同样带正电荷的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行。要得到这个速度，最简单的方法就是继续加温，使得布朗运动达到一个疯狂的水平。要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。然后氚的原子核和氘的原子核以极大的速度发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。其中最大的难点就是高达上亿摄氏度的温度。

中科院研究者：人在现场

此次 EAST 的重大突破发生在 5 月 28 日凌晨。参与其中的中国科学院等离子体物理研究所研究者 @闫某某回忆说，「当天本来都还挺顺利，阶梯上升。半夜几乎接近成功了，就是差一点。之后就比较曲折了，反复的尝试，反复的尝试，总是不理想。半夜接近三点，都快放弃了，能不能就在那天实现谁也没有谱我已经困得睁不开眼了。觉得放完收拾收拾走了。然而，成功了!」（摘自知乎用户 @闫某某）