比太陽中心溫度還高數倍，我國“東方超環”核聚變裝置是如何運行的？

各位關心核聚變的小伙伴大家好，我是中國科學院合肥物質研究院等離子體所工程師蔡其敏。東方超環（EAST）“人造太陽”就位于我們研究所內。

“東方超環”（EAST）是全球首個全超導非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置，其核心使命是模擬太陽發光發熱的核聚變反應，為人類探索取之不盡的清潔能源。

46億年以來，太陽免費為地球提供光和熱。太陽表面溫度是5500多度，即便鋼鐵碰到上面，也會迅速融化，其核心溫度更是高達1500多萬度，人類簡直無法想象！但是，在我們EAST裝置內部，等離子體卻能超過1億度，數倍于太陽核心的溫度。

EAST能取得今天的成就是中國四代科研工作者歷經半個多世紀，16萬余次實驗堅守的結果。從1973年成立合肥受控熱核反應研究實驗站，到1994 年從蘇聯引進的HT-7 超導托卡馬克裝置首次獲等離子體，再到2025 年 EAST實現億度千秒穩態長脈沖高約束模等離子體運行世界紀錄，中國在核聚變領域，實現了從跟跑到并跑，再到部分領跑的華麗轉身。

把“小太陽”裝進 “大冰箱”

核聚變的核心難題在于如何讓上億度的等離子體被長時間約束，地球上任何材料也無法承載如此高溫。托卡馬克的解決方案是 “磁約束”—— 用強磁場構建無形 “磁籠子”，讓帶電的粒子沿著磁場的軌道，不傷害容器壁。強磁場需大電流驅動，常規導體因電阻存在損耗較大，且無法維持長時間運行，因此無法提供穩定的磁場約束等離子體。EAST 的超導線圈采用低溫超導材料，在零下 269℃的液氦環境中實現零電阻效應。這相當于讓億度的火球懸浮在超低溫“大冰箱”里。

利用微波爐點燃“小太陽”

EAST裝置等離子體被加熱到億度，只需短暫幾秒就可以實現。 先通過變壓器原理產生感應電流產生等離子體，再用射頻波加熱和中性束注入加熱手段，短時間內就可以將等離子體從室溫升至 1 億度。最關鍵的是非感應電流驅動技術，通過射頻波與粒子的 “不對稱碰撞” 實現電流自維持，讓等離子體從 “短暫綻放” 變為 “穩定燃燒”。

十次世界紀錄的突破之路

EAST 裝置堪稱一個復雜精妙的“巨無霸”，由多個系統協同運作，每個系統都肩負著不可或缺的使命。EAST裝置的主機部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成。裝置運行需要有大規模低溫氦制冷、高功率脈沖電源及其回路、計算機控制和數據采集處理、兆瓦級射頻波加熱、大型超高真空以及數十種先進診斷測量等系統支撐，數十套系統數百種學科高度交叉融合于一身。EAST運行時需要超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫、超高真空等極限環境，真正可以實現“冰火兩重天”。

從3秒到1066秒的跨越

2006年，EAST首次放電，獲得3秒等離子體運行。2010年，實現100秒1500萬度長脈沖等離子體運行，平均電流達100萬安培(1兆安)。2012年，實現411秒2000萬度長脈沖等離子體運行，30秒高約束模等離子體運行。2017 年，EAST 首次成功實現世界最長百秒量級穩態高約束模等離子體，這一成果成功入選 “中國十大科技進展新聞”。

2018 年，裝置實現 1 億度等離子體運行。2021 年 5 月 28 日，EAST 成功實現可重復的 1.2 億攝氏度 101 秒和 1.6 億攝氏度 20 秒等離子體運行，同年 12 月 30 日晚，EAST 更是實現了 1056 秒的長脈沖高參數等離子體運行，再次刷新自身紀錄。

2023年4月12日，EAST成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒。2025年1月20日，EAST創造了一項震撼世界的新紀錄，首次成功實現上億攝氏度1066 秒等離子體運行。

除了時間紀錄，EAST 還取得多項關鍵突破。在鎢偏濾器環境下實現長脈沖運行，為聚變堆的材料研發提供驗證。開發 百余套診斷系統，實現對千秒量級的等離子體運行的各項參數監測。穩定的輔助加熱手段，將億度的火球死死拿捏。這些成果已直接服務于各國聚變裝置以及國際熱核聚變實驗堆（ITER），為全球聚變研究提供了重要的國際合作平臺。

EAST 裝置的價值不僅體現在豐碩的科研成果上，更在經濟與社會效益領域留下了深刻印記。其建設與運行過程，成為了推動企業自主創新的重要引擎，讓參與國家大科學工程的企業實現了 “影響力 + 技術力” 的雙重提升，最終促成核心技術的產業化落地。

聚變點亮的第一盞燈必將在中國

對于每一個從事聚變研究的人來說，“聚變能是全人類的共同事業” 。EAST裝置不僅是中國科技自立自強的標志性成果，更在全球能源危機的背景下，為人類共同探索未來能源提供了 “中國方案” 與希望之光。

據估算，一升海水中的氘提取出來用于核聚變，釋放的能量相當于300升汽油。地球海洋中含有氘如果全部用于核聚變，那么能支撐目前人類社會使用上百億年。

目前大國競爭已經白熱化，聚變既是科技高地也是能源高地，中國具備后備人才優勢及產業鏈優勢，包括聚變在內的科技行業近年突飛猛進，可控核聚變能源一旦成功，將一勞永逸地解決人類的能源問題，地球上將升起不落的太陽！

21世紀以來，科學研究范式正從“小作坊”模式邁向“大科學”工程。在此浪潮中，中國一批科研重器蓬勃涌現：“中國天眼”聆聽深空電磁波，“阿里計劃”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙線觀測站”探測超高能粒子，“人造太陽”攻關聚變能源，“高能同步輻射光源”解析微觀結構等等。這些大科學裝置合力拓展人類認知邊界。

本文轉載自《騰訊太空》微信公眾號

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