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第122254次實(shí)驗(yàn)！4月12日21時(shí)，中國(guó)有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒，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，加快實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電具有重要意義。

“一團(tuán)耀眼的白光從山脈盡頭升起……”在科幻小說《三體》中，太空飛船核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的光芒如同太陽。利用核聚變等技術(shù)，人類走出地球家園，成為真正的太空文明。

萬物生長(zhǎng)靠太陽。太陽之所以能發(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，且排放無污染，如果能造一個(gè)“太陽”來發(fā)電，人類有望實(shí)現(xiàn)能源自由。

但要造出能實(shí)用的“人造太陽”，需要上億攝氏度的等離子體、超過千秒的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和1兆安的等離子體電流，挑戰(zhàn)極大。為此，全球科學(xué)家們已努力70多年。

形如“巨爐”，一腔“熱火”胸中涌。EAST作為國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，擁有類似太陽的核聚變反應(yīng)機(jī)制。

4月12日晚，經(jīng)過十幾年聚力攻關(guān)，EAST成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒，刷新2017年的101秒世界紀(jì)錄，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)一片歡騰。

“Shot:122254。”EAST控制大廳屏幕上的數(shù)字顯示，這是歷經(jīng)十二萬多次實(shí)驗(yàn)取得的成功。

“這次突破的主要意義在于‘高約束模式’。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長(zhǎng)、等離子體物理研究所所長(zhǎng)宋云濤說，高約束模式下粒子的溫度、密度都大幅度提升，“這為提升未來聚變電站的發(fā)電效率，降低成本奠定了堅(jiān)實(shí)物理基礎(chǔ)。”

據(jù)悉，EAST裝置上有核心技術(shù)200多項(xiàng)、專利2000余項(xiàng)，匯聚“超高溫”“超低溫”“超高真空”“超強(qiáng)磁場(chǎng)”“超大電流”等尖端技術(shù)于一爐，共有上百萬個(gè)零部件協(xié)同工作。這次成功突破，離不開等離子體控制、加熱、壁處理、先進(jìn)診斷等技術(shù)提升和內(nèi)真空室改善。

目前，下一代“人造太陽”中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆已完成工程設(shè)計(jì)，未來瞄準(zhǔn)建設(shè)世界首個(gè)聚變示范堆。

我國(guó)“人造太陽”發(fā)現(xiàn)新的高能量約束模式

據(jù)人民日?qǐng)?bào)2023年1月報(bào)道，記者從中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所獲悉：近期，該所核聚變大科學(xué)團(tuán)隊(duì)利用有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克大科學(xué)裝置（EAST），發(fā)現(xiàn)并證明了一種新的高能量約束模式——超級(jí)I模（Super I-mode），對(duì)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆和未來聚變堆運(yùn)行具有重要意義。1月7日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》發(fā)表了該研究成果。

目前，實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)主要有引力約束、磁約束、激光慣性約束3種方式。太陽因質(zhì)量大，可通過巨大引力，在極端高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生引力約束核聚變反應(yīng)。

而在地球上，實(shí)現(xiàn)可控核聚變主要有磁約束核聚變和激光慣性約束核聚變兩種方式。激光慣性約束核聚變是采用激光作為驅(qū)動(dòng)器壓縮氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等離子體的慣性約束時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火燃燒。采用強(qiáng)磁場(chǎng)約束等離子體的方法把核聚變反應(yīng)物質(zhì)控制在“磁籠子”里面，就是磁約束核聚變。

從上世紀(jì)60年代以來，全世界建造了數(shù)百個(gè)托卡馬克裝置。利用不同核聚變實(shí)現(xiàn)方式而建設(shè)的托卡馬克裝置，其等離子體運(yùn)行模式有多種，不同托卡馬克裝置尺寸、性能不同，能量約束模式也有所區(qū)別。其中，磁約束類型托卡馬克是目前全球研發(fā)投入最大、最接近核聚變點(diǎn)火條件、技術(shù)發(fā)展最成熟的途徑。

近年來我國(guó)“人造太陽”EAST裝置實(shí)驗(yàn)屢獲突破，先后于2010年運(yùn)行1兆安等離子體電流、2018年首次實(shí)現(xiàn)1億攝氏度高溫等離子體運(yùn)行、2021年5月28日實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的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30日實(shí)現(xiàn)1056秒長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行。

超級(jí)I模是托卡馬克裝置等離子體運(yùn)行模式方面的新探索、新發(fā)現(xiàn)和新的驗(yàn)證。據(jù)了解，該種先進(jìn)模式大幅度提高了能量約束效率，具有芯部無雜質(zhì)積累、便于聚變反應(yīng)生成物排出、維持平穩(wěn)溫度臺(tái)基等優(yōu)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了芯部高約束與邊界不穩(wěn)定性的兼容，保證了長(zhǎng)時(shí)間尺度上的高性能等離子體運(yùn)行。這種無需通過外部控制來確保等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的高能量約束模式，對(duì)于未來聚變堆運(yùn)行具有重要意義。

“如果把核聚變反應(yīng)比喻成一道閃電，那么我們的主要目的就是把一道道閃電收集在‘磁籠子’里，聚集更高的能量，然后長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)地向外穩(wěn)定輸出這些能量，為人類所用。”中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長(zhǎng)、等離子體物理研究所所長(zhǎng)宋云濤說，“新發(fā)現(xiàn)的這種約束模式好比找到比保溫壺保溫效果更好的技術(shù)手段，我們一直還在探索和研究，為了更好地控制、更高效地約束能量，減少能量消耗，保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。”

《科學(xué)·進(jìn)展》審稿人認(rèn)為，此項(xiàng)研究成果對(duì)核聚變研究具有重要意義，在國(guó)際聚變研究界是“一個(gè)重大進(jìn)展”。