中國「人造太陽」再獲重大突破：竟然領跑全世界

國家大科學工程「人造太陽」實驗裝置近日再獲重大突破， EAST成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

近日，全超導托卡馬克裝置東方超環（EAST）第十一輪物理實驗獲重大突破：在純射頻波加熱、鎢偏濾器等類似國際熱核聚變實驗堆ITER未來運行條件下，獲得超過60秒的完全非感應電流驅動（穩態）高約束模等離子體。EAST成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

該研究成果在第26屆國際原子能機構聚變能大會以特邀報告形式進行了發布。國際磁約束聚變資深專家、日本那珂核融合研究所先進等離子體物理研究部主任鐮田裕在聚變能大會總結報告中，高度評價EAST此次實驗成果，認為其對未來國際熱核實驗反應堆(ITER)計劃具重要意義。在純射頻波加熱、鎢偏濾器等條件下，實現穩態高約束模等離子體放電，是ITER的基本運行模式之一。

這是EAST5000萬度、102秒等離子體放電實驗數據圖

2012年EAST物理實驗曾創造32秒高約束模世界紀錄。為進一步發展穩態高約束模，近年來，EAST相繼完成了輔助加熱、鎢偏濾器、等離子體物理診斷等系統的升級改造，克服了加熱與電流驅動、分布參數測量等關鍵技術難題，深入研究和基本解決了射頻波耦合、高約束等離子體穩定性控制、低動量條件下加熱和電流驅動下輸運等一系列物理問題，為實現長脈衝穩態高約束模等離子體奠定了堅實的基礎。研究成果連續5年被《核聚變》評為亮點論文，另有多篇發表在《自然—物理學》《物理評論快報》等期刊。

10月中旬，EAST團隊本輪實驗獲得的超過60秒的穩態高約束模等離子體放電，不僅在等離子體參數、約束性能和維持時間長度上全面、大幅度超過2012年結果，而且實現了完全的非感應電流驅動(即穩態、環電壓為零)。同時實現純射頻波加熱的高約束模加熱模式。此外還取得了實現全程無大幅度邊界局域模，實現等離子體運行軟著陸等重要成果。

美、法等國在20世紀80年代中期發起ITER計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產生能量的過程類似，因此受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為「人造太陽」。中國是這一計劃的參與國之一。

EAST是由中國科學家獨立設計建造的世界首個全超導核聚變實驗裝置，於2007年通過國家驗收。它在近年來取得了一系列處於國際領先地位的實驗成果，其科學目標是為ITER計劃和中國未來獨立設計建設運行核聚變堆奠定堅實的科學和技術基礎。

「人造太陽」開始發光

據了解，ITER將採用射頻波主導的低動量注入運行模式以及主動水冷的鎢偏濾器結構。EAST是目前世界上唯一具備這兩大特色的且具有長脈衝運行能力的全超導托卡馬克，其穩態運行模式將為ITER和未來核聚變反應堆提供重要參考。

近年來，EAST相繼完成了輔助加熱、鎢偏濾器、等離子體物理診斷等系統的升級改造，克服了加熱與電流驅動、分布參數測量等關鍵技術難題，深入研究和基本解決了射頻波耦合、高約束等離子體穩定性控制、等離子體與壁相互作用物理、低動量條件下加熱和電流驅動下輸運、雜質輸運和控制等一系列穩態運行密切相關的物理問題，為實現長脈衝穩態高約束模等離子體奠定了堅實的基礎。

核聚變能由於資源豐富和無污染，被科學界認為是最有希望徹底解決能源和環境問題的根本出路之一。中科院專家指出，我國自21世紀初正式參加國際熱核實驗堆ITER計劃後，經過十多年的努力，核聚變科研能力、重要部件製造工藝能力、工程建造能力、大科學工程管理能力等均已達到國際先進水平，具備建設自主產權聚變工程實驗堆的能力。

在開發核聚變能被人們形象地稱為「人造太陽」的路上，中國已從「追趕者」、「並跑者」，成長為具備強大國際輸出能力的「領跑者」。科學家們數十年艱辛「逐日」，就是盼望核聚變能點亮的第一盞燈在中國。

核聚變能：清潔無限的能源希望

煤炭、天然氣、石油等化石能源最終將會枯竭，人類未來的命運聚焦在尋找更加持久的清潔能源上，核能成為人們寄予厚望的未來能源之一。

核能分為核裂變能與核聚變能，前者已經被人類利用發電，但核裂變堆多採用鈾、銫等放射性物質作為燃料，這些物質蘊藏有限，還會產生強大的輻射，放射性核廢料的處理也是難題。核聚變能與太陽產生能量的方式相同，都是由原子核聚變放出巨大能量。在地球上，人類也早已實現了核聚變——氫彈爆炸。但氫彈是一種武器，爆炸時會在極短的時間內釋放出極大的能量，從而在一定範圍內產生毀滅性的後果。

如果氫彈的爆炸過程被人為地大大減緩，如果爆炸產生的能量被緩慢而穩定地輸出，轉化為電能，那氫彈就不再是屠戮生靈的武器，而成了澤被百姓的一個能源庫——人造太陽。

「人造太陽」將解決能源危機

因此，人造太陽又被稱為「可控熱核聚變」。科學家們介紹，它的特點是產生過程中輻射可忽略不計，從儲量豐富的海水中提煉氫的同位素氘、氚作為燃料，不會帶來污染物。

據預測，每一升海水中所蘊含的氘如果提取出來，發生完全的聚變反應，能釋放相當於300升汽油燃燒時釋放的能量。以此推算，根據目前世界能源消耗水平和海水存量，核聚變能可供人類使用數億年。

與國際空間站研究、歐洲加速器、人類基因組測序研究等項目一樣，該領域的研究也是一個國際科技合作項目。美、法等國在20世紀80年代中期發起了國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。中國於2003年加入ITER計劃，成為七方成員之一，承接整個計劃9%左右的採購包任務，並享受全部知識產權。位於安徽合肥的中科院等離子體所是這個國際科技合作計劃的國內主要承擔單位。

「我這一輩子，大約做了將近二十萬次『人造太陽』的實驗，有將近四萬次失敗了。這是一個非常漫長的過程。儘管目前我們在核聚變實驗裝置上實現了一百秒放電，但離一千秒、一萬秒，離無限量商用還很遠，但是我們會一直往下走。」55歲的李建剛院士說，「我的夢想就是在有生之年，有一盞燈泡被核聚變能點亮，這一盞燈泡一定要在中國！」

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