1.2億攝氏度“燃燒”101秒，人造太陽何時成功？

羅宇

掌握了核聚變能，人類將實現“能源自由”

煤、石油、天然氣，這些人類賴以生存的不可再生能源終有一天將被耗盡。人類面臨著嚴重的能源危機和環境危機。如何從根本上解決這一問題？尋找新能源。

萬物生長靠太陽。可以說，太陽是地球最大的能量來源，它的表面溫度約6000攝氏度，內核溫度約1500萬攝氏度，像一個熊熊燃燒的大火球，每秒鐘可散發出相當于1億億噸煤炭完全燃燒產生的能量。

太陽為什么能產生這么大的能量？因其內部持續不斷的核聚變反應。而支撐這種聚變反應的主要原材料氘，在地球上的儲量極其豐富。

據測算，從1升海水中提煉出的氘，經核聚變反應后釋放的能量相當于300升汽油燃燒的能量。而海洋中蘊藏著約40萬億噸氘，理論上用于聚變反應釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無窮無盡。

由此，模仿太陽聚變反應原理造一個“太陽”，被科學家們認為是解決人類能源危機的最佳方案。核聚變的原理是由質量較小的原子——如氫的同位素氘、氚，在極高溫條件下使核外電子擺脫原子核的束縛，兩個原子核相互碰撞聚合，生成新的質量更重的原子核氦，由于質量虧損和質能轉換，釋放巨大的能量。

“簡單來說，地球上‘最容易實現的氘氚核聚變反應的最終生成物是氦和攜帶能量的中子，而氦是非常清潔的。”這是一種清潔能源，沒有碳排放，沒有放射性廢料，也不會出現燃料棒熔斷的災難，比風能和太陽能穩定，被認為是一種理想的“終極能源”。“一旦掌握了核聚變能，人類將實現‘能源自由。”

1.2億攝氏度下的等離子體反應

現實中，中國真的有“人造太陽”，近日中國“人造太陽”托卡馬克在1.2億攝氏度下持續了長達101秒的等離子體反應，創造了核聚變領域的新紀錄，這一突破可能為碳中和能源的未來鋪平道路。

EAST（實驗先進超導托卡馬克）或 HT-7U 是一種定制的聚變反應堆，自2006 年以來已分不同階段運行。EAST的建造具有十分重大的科學意義，它不僅是一個全超導托卡馬克，而且具有會改善等離子體約束狀況的大拉長非圓截面的等離子體位形，它的建成使我國成為世界上少數幾個擁有這種類型超導托卡馬克裝置的國家之一，使我國磁約束核聚變研究進入世界前沿。

在裝置建成后的10～15年期間，能在裝置上對建造穩態先進的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實驗研究，并使中國在人類開發清潔而又無限的核聚變能的領域內做出自己應有的重大貢獻。

EAST的大小半徑只有國際熱核聚變試驗堆（即ITER）的1/3和1/4，位形與ITER相似且更加靈活。EAST是一個近堆芯高參數和穩態先進等離子體運行科學問題的重要實驗平臺，它將是在ITER之前國際上最重要的穩態偏濾器托卡馬克物理實驗基地。

與世界上許多托卡馬克實驗一樣，EAST 之前也曾達到過聚變。在托卡馬克的球形容器內，太陽溫度般熾熱的等離子體，在由過冷電磁體固定在適當位置的圓圈中旋轉。這個磁場中，3.6億攝氏度等離子體和一堆人造材料融合，不同的原子核粉碎在一起，這需要巨大的能源投資。

2018 年托卡馬克達到 1.8 億華氏度，即約 8200萬攝氏度，但當時，EAST只能維持等離子體反應約 10 秒。這還不夠熱，也不夠長，但此次EAST達到的1.2 億攝氏度和 101 秒肯定是一個紀錄。

雖然人造太陽的新紀錄很棒，但距離自我維持的等離子體反應或“點火”還有很長的路要走。這可能涉及更高的溫度，并保持更長的時間。至于世界上其他備受矚目的反應堆，英國的 MAST 反應堆最近成為頭條新聞，其新的排氣系統比其前身減少了 10 倍的熱量。與此同時，全球國際熱核實驗反應堆（ITER） 有望建造有史以來最大的托卡馬克，每個實驗反應堆都有幫助推動技術進步以幫助其他反應堆實現目標。

EAST的未來可能涉及ITER、韓國的KSTAR 反應堆、MAST 甚至包括托卡馬克研究人員的經驗成果，這些研究人員正在消除聚變能的主要障礙。

“人造太陽”1.2億攝氏度成功“燃燒”100秒時，內部的紅外影像（中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所供圖）