無限能源還有多遠？中國核聚變3年打破三項世界紀錄，走在最前沿

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2009年，中國科學院等離子體物理研究所自主研發的世界上首個全超導非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）首輪物理放電實驗大獲成功，並在隨後取得一系列喜人的階段性成果，標誌著我國站在了世界核聚變研究的最前沿。

今年11月12日，中科院等離子體物理研究所發布消息稱，合肥的實驗先進超導托卡馬克（EAST）反應堆在實驗中首次破紀錄地達到了100,000,000攝氏度的超高溫，創造了核融合技術的新里程碑。

EAST的運行原理就是在裝置的真空腔體內加入少量氫的同位素氘或氚，通過類似變壓器的原理使其產生等離子體，然後提高其密度、溫度使其發生核聚變反應，反應過程中會產生巨大的能量。然而，從原子的融合中獲取大量的能量並非易事，首先要用足夠的能量將這些粒子融合在一起。

在太陽內部深處，氫原子在大約1500萬攝氏度的溫度下發生聚變從而融合在一起，而如果我們想要在地球上模擬這一過程，則需要比太陽內部溫度還要高近7倍的超高溫度，並保持足夠長的時間以供反映需要。這一過程的本質便是核聚變，將氫同位素融合在一起最終產生的氦氣是絕對清潔且安全的，因此核聚變能在21世紀被譽為是一種無限的、清潔的、安全的新能源。一旦人類徹底攻克技術難題，無窮無盡的能源將不再是夢…

未來實現這一目標，世界各地的科學家們一直在試驗不同形式的聚變技術，以產生足夠的熱量來供核聚變反應的需要。托卡馬克裝置正是眾多測試設施之一，近現代以來超導技術成功應用於產生托卡馬克強磁場的線圈上，這是可控熱核聚變能研究的巨大突破。將等離子體注入巨大的金屬環形容器中，利用強大的磁場將帶電粒子云限制在磁場中並持續予以加熱，保持等離子體環的相對位置穩定是一項關鍵技術。

在此理論基礎上，德國的Wendelstein 7-X應用磁感線圈組維持等離子體的穩定，實現了令人難以置信的可控操作，但這一裝置卻難以實現達到更高的溫度。今年早些時候，W7-X成功將氦氣加熱至4000萬攝氏度，不得不說這是可控熱核聚變的一大進步，但還是遠遠低於所有重要的核融合過程所需的1億多攝氏度的超高溫度。

而中國的EAST反應堆在托卡馬克原理的基礎上，利用等離子體自身產生的磁場來控制其擺動，雖然穩定性相對而言不及德國的W7-X，但卻可以實現令人難以置信的高溫。

2016年2月份，中國EAST物理實驗獲得了重大突破成就，實現了全球電子溫度超過5000萬攝氏度、持續時間最長的等離子體放電。

2017年，我國曾實現了101.2秒穩態長脈衝高約束模等離子體運行，創造了重要的里程碑式的世界紀錄。

一年後的2018年，我國的科學家們在經過大量的實驗和精細化的調整之後，EAST創造了最佳的等離子體密度水平，並最終達到了1億攝氏度的超高溫（熱功率10兆瓦），這一里程碑式的溫度記錄也將是人類邁向無限清潔能源的重要一步。

據了解，本月中旬我國聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施園區工程項目正式奠基開工，研究人員指出：「國際聚變能聯合中心成立和聚變堆園區啟動建設，對於集聚全球領軍人才，協同開展科技攻關，加快聚變堆重大科技裝置建設和聚變能科學技術發展，必將產生重大影響。」

參考文獻：MIKE MCRAE, China"s Nuclear Fusion Machine Just Smashed Temperature Records by Getting 6 Times Hotter Than The Sun, sciencealert, 15 NOV 20

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