中国科学院等离子体物理研究所4日宣布，国家大科学装置——超导托卡马克实验装置EAST在全球首次实现了上百秒的稳态高约束运行模式，为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。
这个高11米、直径8米、重达400吨的大科学装置就是我国第四代核聚变实验装置——“东方超环”，它的科学目标是让海水中大量存在的氘和氚在高温条件下，像太阳一样发生核聚变，为人类提供源源不断的清洁能源，所以也被称为“人造太阳”。经过多年研究，科研团队成功攻克了一批国际共性难题，在世界上首次实现了5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行，实现了从60秒到百秒量级的跨越。
这一里程碑性的重要突破，表明我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面，将继续引领国际前沿，对国际热核聚变实验堆（ITER）和未来中国聚变工程实验堆（CFETR）建设和运行具有重大的科学意义，同时为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。
“东方超环”是我国第四代核聚变实验装置。“东方超环”的建设目标是对受控核聚变相关的前沿物理问题开展探索性实验研究，为未来稳态、安全、高效的先进商业聚变堆提供物理和工程技术基础。由于核聚变的反应原理跟太阳类似，所以也被称为人造太阳。
经过多年研究，科研人员成功攻克了一批国际共性难题，在世界上首次实现了5000万度等离子体，持续放电101.2秒的高约束运行，实现了从60秒到百秒量级的跨域。在这过程中，EAST相继完成了辅助加热、钨偏滤器、等离子体物理诊断等系统的升级改造，基本解决了射频波耦合、高约束等离子体稳定性控制、等离子体与壁相互作用物理、低动量条件下加热和电流驱动下输运、杂质输运和控制等问题，为此次实现长脉冲稳态高约束模等离子体奠定了基础。
稳态高约束运行模式是国际热核聚变实验堆计划的基本运行模式，也是未来反应堆需要解决的关键科学问题。作为国际重要的长脉冲核聚变实验平台，EAST超导托卡马克高约束放电时间实现百秒量级的突破，将为我国下一代核聚变装置的建设和国际核聚变清洁能源的开发利用奠定坚实基础。
EAST实验先后创下多项托卡马克运行的世界纪录：2012年实现30秒高约束等离子体放电；2016年获得60秒的完全非感应电流驱动（稳态）高约束模等离子体。EAST的成功建设和运行获得国内外专家的高度赞誉，“是世界聚变工程的非凡业绩，是世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑！”《自然》和《科学》分别评价：“中国创造了聚变历史”“在这里科学价值得到极大体现”。
国际热核聚变实验堆ITER计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，其目标是在和平利用聚变能的基础上，探索聚变在科学和工程技术上的可行性。据介绍，高约束模是ITER的基本运行模式，为实现稳态运行并达到有效的偏滤器热量排除，ITER将采用射频波主导的低动量注入运行模式以及主动水冷的钨偏滤器结构。而EAST是目前世界上唯一具备这两大特色且具有长脉冲运行能力的全超导托卡马克，其稳态运行模式将为ITER和未来反应堆提供重要参考。
“ITER计划是人类探寻未来高效清洁能源的重要途径，实现稳态长脉冲高约束等离子体运行是未来聚变堆亟待解决的关键科学问题。EAST具有ITER类似的先进技术，未来5年内将是国际上唯一有能力开展超过百秒时间尺度的长脉冲高约束聚变等离子体物理和工程技术研究的实验平台，为ITER预演稳态运行也是EAST的重要使命。”EAST超导托卡马克装置实验运行总负责人、中科院等离子体所研究员龚先祖表示。
据龚先祖介绍，中国从上世纪末在中科院等离子体所的HT-7装置上开始进行长脉冲的等离子体实验，真正朝着聚变能技术研究方向的EAST装置在2006年建成，第一次等离子放电时间在当年的9月26日，主要目标就是面向未来聚变堆的稳态运行的关键科学和技术问题。
上世纪50年代开始，以原子核的裂变反应为基础的核电站登上世界能源舞台，但是这种核电站存在核废料的处理、核辐射、核燃料铀的开采和提料难等问题。相对来说，核聚变具有无可比拟的优点：它的原料储量极其丰富，因其主要燃料是存在于海水之中的氘和氚。一升海水提取的氘能产生的聚变能源，相当于300升汽油。另外，聚变产物没有放射性。同时，由于聚变反应需要的条件比较高，一旦发生事故，造成反应的等离子体约束破裂，聚变反应便会终止。因此聚变燃料的保存运输、聚变电站的运行都比较安全。此外，伴随着聚变研究带来的衍生和伴随技术，比如超导磁体技术、大功率电源技术、超高真空技术、超低温技术等，都会带动相关产业发展，给民众生活带来很大改变。核聚变如果在民用上能实现可控，将彻底改写人类的能源版图。
主编圈点：百秒量级的技术跨越，奠定了下一代核聚变装置的基础，希望“人造太阳”早日为人类面临的能源紧缺贡献一份力量。
为什么要进行核聚变研究？
大家都知道氢弹拥有非常恐怖的杀伤力，其巨大能量正是来自核材料剧烈的聚变反应，但这样的瞬间释放只能带来毁灭性的效果，如何让这样的能量在人的控制下缓慢有序地释放出来，这是在第一枚氢弹爆炸后的64年里人类一直在试图攻克的课题。
核聚变是核能的一种重要形式之一，有人甚至说，如果掌握了核聚变技术，人类不再需要争夺能源而进行战争，对人类发展起到深远的影响。那这究竟是一种什么样的能源呢？
核能是通过核反应从原子核释放的能量，目前，我们常见的核电站，利用的就是这样的能量。只不过，目前核电站主要是把比较重的原子分裂成较轻的原子而释放能量，这个反应过程就被成为核裂变。而正处于研究阶段的核聚变，则正好相反。核聚变是较轻元素的原子聚合在一起，生成较重元素的原子，它同时要释放出能量。
其实这样的核反应离我们并不遥远，每天照耀地球的太阳，它的光和热就来自于自身内部缓慢持久的核聚变。因此，在人工控制下实现稳定的核聚变的设施，也就自然地被成为“人造太阳”。
正因如此，1985年，国际上开始倡议多国共同合作开展受控核聚变反应堆的研制工作，这就是后来的ITER项目。2006年，包括我国在内的7个国家和地区签订协议，国际热核聚变实验堆项目正式启动，这也是我国参与的规模最大的国际科学合作项目。专家表示，随着ITER项目的推进和各国自主的核聚变项目研究，人类有望在未来50年内，让这种能量巨大而又清洁安全的能源进入千家万户。
往期精彩回顾
1.未来十大趋势，你准备好了没？
2.涨见识的动图（化学反应如此有趣）
3.数学系和物理系的学生有什么差别？
4.你知道到底是什么导致我们近视的吗？
5.300年后的人类，看完直接目瞪口呆！
6.没有牛顿、爱因斯坦，物理学将会怎样？
7.你问探索太空有何用
本期编辑|七彩石头
环球物理，以物理学习为主题，以传播物理文化为己任。专业于物理，致力于物理！以激发学习者学习物理的兴趣为目标，分享物理的智慧，学会用物理思维去思考问题，为大家展现一个有趣，丰富多彩的，神奇的物理世界！
咨询电话：010-56143955 010-56143855
投稿请联系 [email protected]
地址：北京市海淀区苏州街名商大厦1101环球物理
参加物理集训营拨打咨询电话，短期高效提高物理！欢迎拨打咨询电话：13581994719
