「科学强国」闪耀403秒！中国的“人造太阳”，正在一步步实现

人类的生存需要很多能量，比如说电，电来源于能源转化，有化石能源，太阳能、水能、风能、核能等。化石能源是不可再生的有限能源，而太阳能、风能等又具有不稳定性，而核电站也有它的弊端和风险不能大规模建造。

现在，科学家们希望利用太阳通过核聚变反应释放光和热的原理，为人类开发一种源源不断的清洁能源。因此，在地球上以探索清洁能源为目的的可控核聚变装置又被形象地称为“人造太阳”。

图源：北京科协

4月12日21时，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），在稳态高约束模式下，等离子体成功稳定运行403秒，刷新2017年101秒的世界纪录。这一重大突破将加速科学家对于等离子体物理的认识和研究，并向可控核聚变实现发电迈出坚实一步。

EAST的不断突破

地球上的能源大部分来自太阳的核聚变反应，能否在地球上“种太阳”，以得到持续的能量产出？

20世纪50年代，苏联科学家提出一种名为“托卡马克”的环形磁约束聚变装置。大家熟悉的“钢铁侠”胸前就是一个托克马克装置。

托卡马克装置的磁场位形 图源：等离子体所

之后，各国逐渐开展了相关研究。由于研究难度巨大，20世纪80年代，多方联合提出建立全球最大的“人造太阳”装置，ITER计划全球联合建设拉开帷幕。

“人造太阳”学名为全超导托卡马克核聚变实验装置，简称EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），其运行的原理是在装置的真空内部加入少量氢的同位素氘或氚，然后通过类似于变压器的原理，使其产生等离子体，然后不断的提高密度、和温度，从而引起聚变反应，反应过程中会释放出巨大的能量。

那么，中国科学家是如何掌控这种毁灭性能量的呢？

2006年9月28日，中国完成世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置首轮物理放电实验，标志着中国从此成为世界核聚变强国。

2016年2月，中国“人造太阳”物理实验再次获得重大突破，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。

2017年7月3日，EAST再传捷报：实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录。这标志着EAST成为了世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。

2021年5月，EAST成功实现可重复的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。

2023年4月12日，EAST再次刷新纪录，实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，这是一个重大的突破，为可控核聚变奠定了物理和工程基础。

要造出“人造太阳”有多难

作为国家重大科技基础设施，EAST拥有类似太阳的核聚变反应机制。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，难度极大。

经过持续艰难攻关，EAST大科学团队解决了长时间尺度下的等离子体位形约束、高功率射频波加热与电流驱动、等离子体与壁相互作用、关键分布参数的实时诊断等系列前沿物理和技术集成问题，实现了403秒高约束模式等离子体运行。

近年来，EAST性能不断提升，装置运行区间不断扩展，取得了多项国际托卡马克运行的重大标志性成果。EAST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，共有上百万个零部件协同工作。这次成功突破，离不开等离子体控制、加热、壁处理、先进诊断等技术提升和内真空室改善。

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表示，这次突破的主要意义在于“高约束模式”，完全验证了EAST高参数长脉冲稳态运行的能力，对探索未来聚变堆前沿物理问题，提升核聚变能源经济性、可行性，加快实现聚变能应用具有重要意义。

据悉，这次突破历经12万多次实验，离不开等离子体控制、加热、壁处理、先进诊断等技术提升和内真空室改善。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。

（中国小康网综合中国新闻网、环球时报、北京科协、上观新闻等）