2021年4月，中科院合肥物质科学研究院，工作人员对有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)进行升级改造。 新华社发
2021年4月，中科院合肥物质科学研究院，工作人员对有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)进行升级改造。 新华社发
第122254次实验!4月12日21时，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，对探索未来的聚变堆前沿物理问题，提升核聚变能源经济性、可行性，加快实现聚变发电具有重要意义。
目前，下一代“人造太阳”中国聚变工程实验堆已完成工程设计，未来瞄准建设世界首个聚变示范堆。
●最新
403秒!
中国“人造太阳”获重大突破
“一团耀眼的白光从山脉尽头升起……”在科幻小说《三体》中，太空飞船核聚变发动机发出的光芒如同太阳。利用核聚变等技术，人类走出地球家园，成为真正的太空文明。
万物生长靠太阳。太阳之所以能发光发热，是因为内部的核聚变反应。核聚变能源的原材料在地球上极其丰富，且排放无污染，如果能造一个“太阳”来发电，人类有望实现能源自由。
但要造出能实用的“人造太阳”，需要上亿摄氏度的等离子体、超过千秒的连续运行时间和1兆安的等离子体电流，挑战极大。为此，全球科学家们已努力70多年。
形如“巨炉”，一腔“热火”胸中涌。EAST作为国家重大科技基础设施，拥有类似太阳的核聚变反应机制。
4月12日晚，经过十几年聚力攻关，EAST成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，刷新2017年的101秒世界纪录，实验现场一片欢腾。
“Shot:122254。”EAST控制大厅屏幕上的数字显示，这是历经十二万多次实验取得的成功。
“这次突破的主要意义在于‘高约束模式’。”中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛说，高约束模式下粒子的温度、密度都大幅度提升，“这为提升未来聚变电站的发电效率，降低成本奠定了坚实物理基础。”
据悉，EAST装置上有核心技术200多项、专利2000余项，汇聚“超高温”“超低温”“超高真空”“超强磁场”“超大电流”等尖端技术于一炉，共有上百万个零部件协同工作。这次成功突破，离不开等离子体控制、加热、壁处理、先进诊断等技术提升和内真空室改善。
目前，下一代“人造太阳”中国聚变工程实验堆已完成工程设计，未来瞄准建设世界首个聚变示范堆。
●科普
什么是“人造太阳”?
“人造太阳”一般指国际热核聚变实验堆计划，以其安全、清洁、高效、可持续等优点成为满足未来国家重大战略需求和实现双碳目标的重要技术方案。但要实现这一核聚变，通常要求温度达到亿度量级。简言之就是在地球上造一个装置，模拟太阳发光发热释放能量，从而解决人类所面临的能源问题。
为什么要造“太阳”?
或许你可能会发出这样的疑问:已经有一个太阳了，为什么还非得要再造个太阳呢?为什么又说核聚变技术对人类至关重要?要说清这个问题，需要从能源说起。
我们都知道“万物生长靠太阳”，地球上埋藏的煤炭、石油等化石能源实质上也是远古生物储存的太阳能，水能、风能、生物质能等可再生能源同样是通过太阳能转化而来，而太阳的能量正是来源于核聚变。
简单说，核聚变就是两个轻原子在高温高压的环境下相撞，聚合成一个重原子，在反应过程中会产生质量损失。根据爱因斯坦标志性的质能方程，能量等于质量乘以光速的平方，由于光速值巨大，即使较小的质量损失也会转化为巨大的能量爆发出来。
“造太阳”有什么用?
如果可以驾驭核聚变的能量，人类文明有望进入一个全新的发展阶段。当前，人类已经掌握了可控核裂变技术，已经广泛应用的核能发电就是利用的这一技术。跟裂变相比，核聚变拥有更多优势:作为核聚变原料，氘在地球上的含量相当丰富，易于提取。同时，可控核聚变能在自然条件下稳定反应，简单可控，具备本质安全。核聚变反应过程中几乎不产生辐射，核废料也几乎没有放射性，不存在核泄漏的风险。
更重要的是，核聚变释放的能量是核裂变的数倍。理论上，只需要几克氘和氚的混合反应物，就有可能产生上万亿焦耳的能量，这相当于一个普通人一生所需的能量。
如果我们可以模拟这个反应过程，实现“人造太阳”，便可一劳永逸解决能源问题。
●原理
“造太阳”的秘密来源是什么?
支持太阳持续燃烧50亿年的秘密来源于氢的核聚变，“人造太阳”准确来讲叫做受控核聚变反应装置。简单来讲，核聚变可以将两个氢原子聚变为一个氦原子并产生巨大能量。最常用的核聚变燃料便是氢的同位素氘和氚，氘和氚大量存在于海水中，每1升海水中含有30毫克氘，而1升海水中的氘聚变可产生相当于300升汽油的能量，因此核聚变产生的能量相当巨大。
我们可以将核聚变简单理解为两个轻的原子核结合成质量更重的原子核并释放巨大能量的过程。我们熟知的原子弹是利用核裂变原理制造的，而氢弹则是利用核聚变原理，相比于核裂变，核聚变的反应条件极其严苛，需要亿度高温，这一温度只有在原子弹爆炸瞬间可以实现，但它产生的能量将远远超过核裂变。拿氢弹来讲，它的爆炸是靠先爆发一颗核裂变原子弹产生亿度高温，然后触发核聚变反应实现的，但这是一种不可控的核聚变反应，对于现如今寻求清洁能源的人类来讲，显然不需要这种瞬间爆发的巨大能量，因此研究受控核聚变反应来持续获取能量便成了重点。
“人造太阳”如何才能聚变“点火”?
“人造太阳”是科学家研究受控核聚变反应的装置。受控核聚变实现的方式主要有两种——磁约束核聚变和惯性约束核聚变。其中磁约束核聚变是用强磁场来约束高温核聚变燃料。实现受控核聚变的条件十分苛刻，一是燃料需达到极高的温度(1亿摄氏度以上)，但极端高温下的燃料无法用普通固体容器来盛装，为此，科学家们提出用强磁场的方式来约束处于极高温下的聚变燃料；二是具有足够的密度，从而提高燃料原子核之间碰撞而发生核聚变反应的概率；三是具备足够长的能量约束时间，将高温高密度的核反应条件维持足够长的时间，才能使核聚变反应得以持续进行。也就是说，燃料离子温度、密度、能量约束时间，这三个参数的乘积(“聚变三乘积”)必须达到一定值，才能满足聚变“点火”条件，实现受控核聚变。因此，核聚变原理虽然简单，但聚变能开发却面临一系列科学技术挑战。
●发展
世界多国都在“造太阳”
20世纪中叶，苏联科学家研制出了一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器。这种名为托卡马克的装置，为可控核聚变技术的突破打开了一扇大门。
“造太阳”，托卡马克装置被寄予厚望，是世界各国都在研发探索的方向。上世纪90年代，美欧日先后建成3个大的托卡马克装置，均实现在三五秒钟的时间内维持核聚变反应，且可重复。这意味着，科学上的可行性在实验中得到了验证，而中国在这方面也逐渐实现了“弯道超车”。
从上世纪50年代，中国开启核聚变研究，到1984年中国环流器一号(HL-1)的建成，为中国自主设计、建造、运行“人造太阳”培养了大批人才，积累了丰富经验。再到1994年，更名为“ht-7”的大科学装置成功研制，中国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家。
现如今，中国已有多座成功运行的国产托卡马克装置。
其中，中国设计的东方超环EAST，是世界首个全超导托卡马克装置，坐落于中国科学院合肥等离子体物理研究所。2021年12月，EAST实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
2022年10月，中国新一代“人造太阳”托卡马克装置(HL-2M)等离子体电流突破100万安培(1兆安)，创造了中国可控核聚变装置运行新纪录。
新一代“人造太阳”将带来哪些便利?
近期，中核集团核工业西南物理研究院传出消息，全球最大的“人造太阳”，国际热核聚变实验堆(ITER)增强热负荷第一壁完成首件制造，并且具备了批量制造条件。这次最新突破的关键部件“第一壁”，实际上是“人造太阳”的“防火墙”，可以直接面对燃烧的上亿摄氏度等离子体。这是中国在可控核聚变领域的巨大突破，标志着中国全面突破“ITER增强热负荷第一壁”关键技术。
探索开发聚变能源的国际热核聚变实验堆(ITER)，由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国7方共同参与建造，被誉为全世界最大的“人造太阳”。目前，ITER正在法国南部按计划推进，预计2025年完成。
从更长远的周期来看，可控核聚变是人类可持续发展的战略储备技术。一旦获得突破，人类将拥有廉价、安全、清洁的能源，地球环境得到极大改善，经济建设和工业生产效率大幅提升，甚至星际旅行成为可能。
无论如何，人类追逐“终极能源”的脚步越来越快。苏联物理学家、托卡马克之父列夫·阿齐莫维奇(Lev Artsimovich)说过一句名言:“当整个社会都需要的时候，聚变就会实现。”
这一天，或许不再遥远。
整合:黄亚岚
来源:新华社、中国核电网、光明网、科技日报、甘肃省科学技术普及学会
