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中國(guó)“人造太陽(yáng)”五創(chuàng)世界紀(jì)錄

來源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 時(shí)間：2025-12-26 16:31

　　“998，999，1000……”2025年1月20日晚，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱合肥研究院）全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）控制大廳瞬間沸騰。EAST俗稱“人造太陽(yáng)”，這次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了1億攝氏度1066秒高約束模式等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了“十四五”期間第五次世界紀(jì)錄。

　　之前4次刷新的世界紀(jì)錄是：2021年5月，實(shí)現(xiàn)1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行；2021年12月，實(shí)現(xiàn)1056秒高參數(shù)等離子體運(yùn)行；2023年4月，實(shí)現(xiàn)403秒高約束模式等離子體運(yùn)行。

　　每一次世界紀(jì)錄意味著什么？人類離核聚變發(fā)電還有多遠(yuǎn)？科研人員還需要繼續(xù)做什么？

　　1.2億攝氏度維持101秒，引領(lǐng)國(guó)際前沿

　　萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。太陽(yáng)之所以能發(fā)光發(fā)熱，是因?yàn)閮?nèi)部的核聚變反應(yīng)。核聚變能源的原材料在地球上極其豐富，且排放無(wú)污染，如果能造一個(gè)“太陽(yáng)”來發(fā)電，人類有望實(shí)現(xiàn)能源自由。

　　2006年，合肥研究院團(tuán)隊(duì)在世界上率先自主建成EAST，并在當(dāng)年首次成功實(shí)現(xiàn)等離子體放電3秒。

　　為了沖擊更高世界紀(jì)錄參數(shù)，2020年，合肥研究院等離子體物理研究所（以下簡(jiǎn)稱合肥研究院等離子體所）準(zhǔn)備對(duì)EAST進(jìn)行重大性能提升。

　　一聲來自合肥研究院等離子體所的召喚，讓遠(yuǎn)在法國(guó)的郭斌毫不猶豫回國(guó)。

　　“讀研期間，我有幸被派往國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）訪問。”郭斌回憶，在法國(guó)的6年里，他抓住一切機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)，積累了大型裝置冷卻系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。回國(guó)后，他與同事基于EAST的獨(dú)特需求，對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化與創(chuàng)新，最終成功將系統(tǒng)性能提升至原來的3到4倍。

　　“是所里培養(yǎng)了我。因此，當(dāng)所里有需要，我必須回來。”已是合肥研究院等離子體所技術(shù)中心主任的郭斌表示。

　　除了水冷系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)還升級(jí)了裝置的加熱、低溫、診斷、真空等系統(tǒng)，全面提升了該裝置的性能。

　　2021年5月28日凌晨，升級(jí)版的EAST傳出喜訊：正在開展的第16輪物理實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)可重復(fù)1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄。

　　這一新的紀(jì)錄，將當(dāng)時(shí)國(guó)際上托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行的原紀(jì)錄延長(zhǎng)了5倍。

　　“創(chuàng)造新紀(jì)錄，進(jìn)一步證明了核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定了物理和工程基礎(chǔ)。”合肥研究院副院長(zhǎng)、等離子體所所長(zhǎng)宋云濤說。

　　同年12月30日夜，EAST首次突破千秒大關(guān)——實(shí)現(xiàn)1056秒長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造世界上托卡馬克裝置高溫等離子體的最長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行紀(jì)錄。

　　403秒高約束模式等離子體運(yùn)行，驗(yàn)證可行性

　　可控核聚變研究的關(guān)鍵在于，第一，盡可能提高等離子體的溫度和密度，以提高聚變反應(yīng)效率；第二，將高溫、高密度等離子體約束在有限空間內(nèi)持續(xù)足夠長(zhǎng)時(shí)間，以減緩能量流失，從而進(jìn)一步提高聚變反應(yīng)效率。

　　德國(guó)物理學(xué)家弗里德里?！ね吒窦{1982年最早發(fā)現(xiàn)一種高約束運(yùn)行模式。在這種模式下，高功率加熱的能量約束時(shí)間可達(dá)低約束模式的兩倍?！爱?dāng)時(shí)，這個(gè)消息傳到美國(guó)，甚至有人激動(dòng)得跳上了桌子。這就好似給一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)加上了渦輪增壓，在不改變裝置硬件的條件下，實(shí)現(xiàn)了更大的能量輸出。”合肥研究院等離子體所副研究員王騰打了個(gè)比喻。

　　為實(shí)現(xiàn)高約束模式目標(biāo)，EAST團(tuán)隊(duì)發(fā)揚(yáng)“甘于奉獻(xiàn)，團(tuán)結(jié)協(xié)作，銳意進(jìn)取，爭(zhēng)創(chuàng)一流”的精神，集中精力攻關(guān)，解決了長(zhǎng)時(shí)間尺度下的等離子體位形約束、高功率射頻波加熱與電流驅(qū)動(dòng)、等離子體與壁相互作用等一系列前沿物理和技術(shù)集成問題。

　　剛?cè)肼毑坏揭粋€(gè)月就趕上這樣的大兵團(tuán)作戰(zhàn)，“90后”科研人員劉文斌感觸很深。

　　“進(jìn)所后最大的轉(zhuǎn)變是從小團(tuán)隊(duì)進(jìn)入大團(tuán)隊(duì)，從基于興趣愛好的自由探索轉(zhuǎn)變?yōu)橐試?guó)家需求為導(dǎo)向的有目標(biāo)的攻關(guān)?！眲⑽谋笳f，教科書里在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)就青史留名的故事，不太可能發(fā)生在聚變領(lǐng)域，只有依靠眾人的力量，才能共同完成一件大事。

　　2023年4月12日21時(shí)，“人造太陽(yáng)”成功實(shí)現(xiàn)403秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模式等離子體運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。4月13日下午，“人造太陽(yáng)”再次重復(fù)了同樣參數(shù)等離子體運(yùn)行。

　　EAST物理實(shí)驗(yàn)總負(fù)責(zé)人龔先祖表示：“403秒高約束模式等離子體運(yùn)行進(jìn)一步驗(yàn)證了高約束穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的可行性。同時(shí)，對(duì)探索未來的聚變堆前沿物理問題，提升核聚變能源經(jīng)濟(jì)性、可行性，加快未來實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電具有重要意義?！?/p>

　　創(chuàng)造“億度千秒”世界紀(jì)錄，從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向工程實(shí)踐

　　“億度千秒”，是核聚變發(fā)電的一個(gè)“門檻”。而此前，世界上沒有任何一個(gè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

　　“‘億度千秒’的難點(diǎn)在于，我們要把一團(tuán)‘火’，相當(dāng)于太陽(yáng)核心溫度6到7倍、像火球一樣的等離子體運(yùn)行到上千秒，難度非常大?！饼徬茸娼忉尩馈?/p>

　　2025年1月20日，EAST控制大廳的大屏幕上，裝置內(nèi)部的紅光不停閃爍。隨著計(jì)時(shí)器突破4位數(shù)，沉寂的大廳爆發(fā)出掌聲，現(xiàn)場(chǎng)的科研人員紛紛起立歡呼——EAST終于實(shí)現(xiàn)1億攝氏度1066秒高約束模式等離子體運(yùn)行。

　　中國(guó)核聚變科學(xué)家跨過了核聚變發(fā)電的重要“門檻”。

　　“這是一座非常重要的里程碑，從此將從前沿的基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向工程實(shí)踐，向聚變能應(yīng)用邁進(jìn)了一大步?！彼卧茲硎?，但核聚變研究就像馬拉松比賽一樣，不僅要跑得快，還要跑得遠(yuǎn)。

　　實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)堆、工程堆是聚變能商用不可逾越的步驟。實(shí)際上，我國(guó)早已部署除EAST外的相關(guān)科研設(shè)施。

　　就在合肥未來大科學(xué)城，名為“夸父”的聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施（CRAFT）建設(shè)正在如火如荼進(jìn)行中。這是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，預(yù)計(jì)于今年底基本建成，為我國(guó)的聚變堆建設(shè)提供技術(shù)支撐和大型研發(fā)測(cè)試平臺(tái)。

　　同在未來大科學(xué)城建設(shè)中的還有我國(guó)下一代“人造太陽(yáng)”——緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BEST）。該裝置是聚變工程研究的關(guān)鍵，意味著核聚變能夠由反應(yīng)本身產(chǎn)生的熱量維持，是未來商業(yè)化發(fā)電的基礎(chǔ)。

　　宋云濤相信，隨著國(guó)家科技創(chuàng)新不斷投入、不斷增強(qiáng)，依托裝置建設(shè)和運(yùn)行，“演示聚變發(fā)電”這一目標(biāo)一定能早日實(shí)現(xiàn)，而“聚變商業(yè)電站”的最終夢(mèng)想，也將在建設(shè)和運(yùn)行聚變工程堆的基礎(chǔ)上逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。（王敏 陳歡歡）

責(zé)任編輯：閆弘旭