比太陽中心溫度還高數(shù)倍，我國“東方超環(huán)”核聚變裝置是如何運(yùn)行的？

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

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

46億年以來，太陽免費(fèi)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(dá)1500多萬度，人類簡直無法想象！但是，在我們EAST裝置內(nèi)部，等離子體卻能超過1億度，數(shù)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(jīng)半個多世紀(jì)，16萬余次實(shí)驗(yàn)堅守的結(jié)果。從1973年成立合肥受控?zé)岷朔磻?yīng)研究實(shí)驗(yàn)站，到1994 年從蘇聯(lián)引進(jìn)的HT-7 超導(dǎo)托卡馬克裝置首次獲等離子體，再到2025 年 EAST實(shí)現(xiàn)億度千秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行世界紀(jì)錄，中國在核聚變領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了從跟跑到并跑，再到部分領(lǐng)跑的華麗轉(zhuǎn)身。

把“小太陽”裝進(jìn) “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(qiáng)磁場構(gòu)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(qiáng)磁場需大電流驅(qū)動，常規(guī)導(dǎo)體因電阻存在損耗較大，且無法維持長時間運(yùn)行，因此無法提供穩(wěn)定的磁場約束等離子體。EAST 的超導(dǎo)線圈采用低溫超導(dǎo)材料，在零下 269℃的液氦環(huán)境中實(shí)現(xiàn)零電阻效應(yīng)。這相當(dāng)于讓億度的火球懸浮在超低溫“大冰箱”里。

利用微波爐點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。 先通過變壓器原理產(chǎn)生感應(yīng)電流產(chǎn)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(nèi)就可以將等離子體從室溫升至 1 億度。最關(guān)鍵的是非感應(yīng)電流驅(qū)動技術(shù)，通過射頻波與粒子的 “不對稱碰撞” 實(shí)現(xiàn)電流自維持，讓等離子體從 “短暫綻放” 變?yōu)?“穩(wěn)定燃燒”。

十次世界紀(jì)錄的突破之路

EAST 裝置堪稱一個復(fù)雜精妙的“巨無霸”，由多個系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)作，每個系統(tǒng)都肩負(fù)著不可或缺的使命。EAST裝置的主機(jī)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(nèi)外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統(tǒng)等六大部件組成。裝置運(yùn)行需要有大規(guī)模低溫氦制冷、高功率脈沖電源及其回路、計算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理、兆瓦級射頻波加熱、大型超高真空以及數(shù)十種先進(jìn)診斷測量等系統(tǒng)支撐，數(shù)十套系統(tǒng)數(shù)百種學(xué)科高度交叉融合于一身。EAST運(yùn)行時需要超大電流、超強(qiáng)磁場、超高溫、超低溫、超高真空等極限環(huán)境，真正可以實(shí)現(xiàn)“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(yùn)行。2010年，實(shí)現(xiàn)100秒1500萬度長脈沖等離子體運(yùn)行，平均電流達(dá)100萬安培(1兆安)。2012年，實(shí)現(xiàn)411秒2000萬度長脈沖等離子體運(yùn)行，30秒高約束模等離子體運(yùn)行。2017 年，EAST 首次成功實(shí)現(xiàn)世界最長百秒量級穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體，這一成果成功入選 “中國十大科技進(jìn)展新聞”。

2018 年，裝置實(shí)現(xiàn) 1 億度等離子體運(yùn)行。2021 年 5 月 28 日，EAST 成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的 1.2 億攝氏度 101 秒和 1.6 億攝氏度 20 秒等離子體運(yùn)行，同年 12 月 30 日晚，EAST 更是實(shí)現(xiàn)了 1056 秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，再次刷新自身紀(jì)錄。

2023年4月12日，EAST成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒。2025年1月20日，EAST創(chuàng)造了一項(xiàng)震撼世界的新紀(jì)錄，首次成功實(shí)現(xiàn)上億攝氏度1066 秒等離子體運(yùn)行。

除了時間紀(jì)錄，EAST 還取得多項(xiàng)關(guān)鍵突破。在鎢偏濾器環(huán)境下實(shí)現(xiàn)長脈沖運(yùn)行，為聚變堆的材料研發(fā)提供驗(yàn)證。開發(fā) 百余套診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對千秒量級的等離子體運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測。穩(wěn)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(wù)于各國聚變裝置以及國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)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(xiàn)在豐碩的科研成果上，更在經(jīng)濟(jì)與社會效益領(lǐng)域留下了深刻印記。其建設(shè)與運(yùn)行過程，成為了推動企業(yè)自主創(chuàng)新的重要引擎，讓參與國家大科學(xué)工程的企業(yè)實(shí)現(xiàn)了 “影響力 + 技術(shù)力” 的雙重提升，最終促成核心技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化落地。

聚變點(diǎn)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(yè)” 。EAST裝置不僅是中國科技自立自強(qiáng)的標(biāo)志性成果，更在全球能源危機(jī)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(jù)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(dāng)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(jīng)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(yōu)勢及產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，包括聚變在內(nèi)的科技行業(yè)近年突飛猛進(jìn)，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(jì)以來，科學(xué)研究范式正從“小作坊”模式邁向“大科學(xué)”工程。在此浪潮中，中國一批科研重器蓬勃涌現(xiàn)：“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(guān)聚變能源，“高能同步輻射光源”解析微觀結(jié)構(gòu)等等。這些大科學(xué)裝置合力拓展人類認(rèn)知邊界。

本文轉(zhuǎn)載自《騰訊太空》微信公眾號

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