戍天九思：突破1.2亿度101秒！离核聚变发电还有多远？

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　　5月28日，中科院合肥物质科学研究院全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将韩国创造的1亿摄氏度20秒的纪录延长了5倍。科研人员称新纪录进一步证明核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定物理和工程基础。

　　万物生长靠太阳，未来能源靠人造太阳

　　万物生长靠太阳，EAST拥有类似太阳的运行机制，因此有“人造太阳”之称。

　　未来，煤、石油、天然气有枯竭的危险，还存在一定的环境污染。而“人造太阳”核聚变反应所需的原材料在地球上几乎取之不尽、用之不竭，生成物也没有污染，被认为是理想的“终极能源”。

　　而比起现在让人害怕的核裂变发电技术，可控核聚变没有严重的放射性辐射，也不会产生核废料。而且核聚变必须需要极高的温度才能激发，没有链式反应，熄灭了就停了，比起核裂变更加安全可控，可以避免像福岛核电站那样的重大核事故和产生大量的核废水。

　　更重要的是，核聚变的燃料是氢的同位素氘和氚。其中氘在海水中储量非常的丰富，一公斤海水提取出的氘，聚变反应出的能量相当于300公斤汽油，所以，用个几百亿年没问题。

　　因此，可控核聚变一旦成功，就意味着人类彻底打开了核聚变发电的大门，从此将彻底告别能源危机和碳排放环境危机，届时人类才真正进入I型文明，而现在只能叫0.7I型文明。尔后，一旦可控核聚变技术进一步成熟实现小型化，人类就拥有探索银河系的能力！可见，可控核聚变是全球的战略制高点，哪个国家率先突破关键技术、实现商用发电，哪个国家就能获得“赢者通吃”的绝对优势！

　　但是，可控核聚变也是一个远比“两弹一星”更复杂的超级难题，投入巨大，最终成功靠的是全球合作、综合国力、国家运气和投入能量总量及密度！中国有集中力量办大事的举国体制和中国速度优势，国家也在集中发力攻关！

　　中国“两条腿走路”实现了了不起的跨越

　　中国从上世纪60年代开始研究可控核聚变，并相应建立了相关研究机构，先后建成中国环流器一号、环流器新一号、环流器二号A实验装备。但是，由于国外技术封锁，一直落后于国际先进水平。

　　1990年10月苏联解体前，无偿向中国赠送一套托卡马克装置，中国得以开始在新的起点上追赶世界。该装置经过中国5年多的改建后，2007年3月通过国家验收。改建后的装置称为EAST，计划在2006年至2021年实现1亿度、1兆安电流、1000秒放电等离子体稳定运行三大目标。目前，累计开展实验96000余次，已实现前两大目标，正在攻关1000秒。

　　2017年，实现稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，温度为5000万摄氏度，成为世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。

　　2018年，该装置等离子体中心电子温度首次达到1亿度。2020年4月，EAST在1亿度的高温下维持了近10秒。

　　2021年5月28日，实现1.2亿摄氏度101秒等离子体运行，打破了2020年底韩国创造的1亿摄氏度20秒的记录。

　　中国在自己建设EAST的同时，也在为参与ITER国际核聚变实验堆做准备。2003年，中国宣布加入并开始谈判。六天后，美国宣布重返ITER，韩国与印度也随之加入。2007年8月，ITER国际聚变能组织正式成立，费用按如下比例分摊。

　　2010年ITER才正式开建，但是，项目管理混乱、进度一拖再拖。直到2020年7月28日，ITER才启动重大工程安装仪式。

　　中国通过参与ITER，还是获得了不少关键技术。于是，中国开始酝酿自己建造一个同等规模和技术水准的装置。2020年12月4日，中国环流器二号M（HL-2M）在成都双流建成并实现首次放电，实现了后来者居上。目前，这是仅次于ITER的全球第二大托卡马克核聚变实验装置，也是下一步中国突破核聚变发电技术的希望所在。

　　离建造世界首个核聚变发电站还有多远？

　　目前，要实现核聚变商用发电仍有两大标志性门槛：

　　第一，核聚变燃料点火成功。

　　第二，Q>20—40（Q =输出功率/输入功率，称为能量增益）。

　　早在1957年，英国物理学家劳森提出一个判断：

　　当等离子体的温度、密度和约束时间三者乘积（即聚变三重积）等于10^22时，输出功率等于输入功率（即Q=1），聚变反应才能自己维持。这才叫点火成功。

　　目前，全球“人造太阳”的实验，一方面是在验证劳森判断，另一方面也是在探索提高核聚变三重积、提高Q值。严格意义上讲，全球都还没有实现过核聚变燃料点火成功，最好的结果Q为0.67，但离点火成功越来越近了。

　　中国EAST这次实验，实现1.2亿摄氏度、1兆安培、101秒目标，“聚变三重积”达到10^19量级，但是，离10^22量级还差1000倍。

　　聚变三重积计算为：（273+1.2×10^9）×10^6×101=2.77×10^19

　　（摄氏温度要换算成K氏温度）

　　从过去的实验进展情况和新建设置设计能力看，现在提高等离子体温度和密度难度都很大，延长约束时间可能更加可行一些。

　　中国最先进的中国环流器二号M，设计等离子体离子温度可达1.5亿度，等离子体电流能力超过2.5兆安培。

　　下一步，中国如果将等离子体温度和密度乘积提高10倍，约束时间从101秒提高到1万秒，才能实现“聚变三重积”超过10^22的目标。中国到了快要顶开核聚变点火成功天花板的时候了！一旦过了第一个门槛，后继研发工作可能会加速。

　　据中国工程院院刊介绍，中国正在自主设计、研发中国聚变工程试验堆（CFETR）。计划分三步走：第一阶段：2017年底—2021年，CFETR开始立项建设；第二阶段：2021年—2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验；第三阶段：2035年—2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆。