戍天九思：核聚变曙光：中国获“人造太阳”新机理新突破

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　　据4月13日新华社报道，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。

　　刚开始，笔者看到这则新闻也有点发懵：中国“人造太阳”早在2021年12月30日就实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行，这次实现“稳态高约束模式等离子体运行403秒”，怎么还是重大突破？它的突破到底在哪里？有何重大意义？

　　摸着石头过河：中国“人造太阳”实现三大目标

　　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。

　　中国“人造太阳”科学团队，经过十多年的艰苦攻关，取得了一系列举世瞩目的重大科研成果，不断刷新着世界纪录。

　　★2018年11月，实现1亿摄氏度等离子体运行。

　　★2021年5月，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。

　　★2021年12月，实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。

　　现在，中国基本上实现了三大目标：1兆安等离子体电流、1000秒的维持时间、1亿摄氏度的高温。此外，中国还拥有核心技术200多项、专利2000余项。

　　但是，长期以来，全球各国都是靠摸着石头过河，都没有基础理论上的重大突破，中国也是如此。

　　这次重大突破体现在中国发现新机理新模式上

　　“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。”

　　为什么？原来这次的重大突破源于三个月前发现的新机理——新的高能量约束模式。

　　据人民日报2023年1月8日报道，记者从中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所获悉：近期，该所核聚变大科学团队利用有“人造太阳”之称的全超导托卡马克大科学装置（EAST），发现并证明了一种新的高能量约束模式——超级I模（Super I-mode），对国际热核聚变实验堆和未来聚变堆运行具有重要意义。1月7日，国际学术期刊《科学·进展》发表了该研究成果。

　　超级I模是托卡马克装置等离子体运行模式方面的新探索、新发现和新的验证。据了解，该种先进模式大幅度提高了能量约束效率，具有芯部无杂质积累、便于聚变反应生成物排出、维持平稳温度台基等优点，并实现了芯部高约束与边界不稳定性的兼容，保证了长时间尺度上的高性能等离子体运行。这种无需通过外部控制来确保等离子体稳态运行的高能量约束模式，对于未来聚变堆运行具有重要意义。

　　论文中，中国核聚变大科学团队还公布了高能量约束先进模式、湍流驱动等离子体电流、偏滤器脱靶与高约束等离子体兼容集成等一系列重要成果。特别是首次证明了托卡马克等离子体中存在湍流驱动的电流成份，是保持高电子温度稳定运行的关键物理机制。这是核聚变“点火”成功的关键。

　　《科学·进展》审稿人认为，此项研究成果对核聚变研究具有重要意义，在国际聚变研究界是“一个重大进展”。

　　“如果把核聚变反应比喻成一道闪电，那么我们的主要目的就是把一道道闪电收集在‘磁笼子’里，聚集更高的能量，然后长时间持续地向外稳定输出这些能量，为人类所用。”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，“新发现的这种约束模式好比找到比保温壶保温效果更好的技术手段，我们一直还在探索和研究，为了更好地控制、更高效地约束能量，减少能量消耗，保持长时间稳定运行。”

　　核聚变技术基础理论上的突破，才是最根本性的突破。中国找到了新理论，就结束了在核聚变技术上瞎子摸象的历史。

　　新的高能量约束模式将加速中国核聚变堆商用

　　笔者在2022年12月15日的《中美激战核聚变，警惕美国新版星球大战骗局！》一文指出，核聚变有磁约束和惯性约束两条技术路线，还都必须过三道坎：

　　第一，约束。像太阳那么高的温度足以烧穿任何容器，用什么来装核聚变反应的超高温燃料——解决“怎么防止燃料将炉子烧穿”的问题？

　　第二，点火。如何将核聚变反应的燃料加热到像太阳那样高温——解决“怎么点燃炉子里面燃料”的问题？

　　第三，聚变物破坏。氘氚聚变会产生大量中子，会破坏容器，带走聚变能量，现在还没有任何材料可以抵抗这种中子的破坏和加热。

　　2022年12月13日，美国能源部宣布，加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室首次成功在核聚变反应中超出了聚变阈值，实现了大于1的净能量增益，即用2.05兆焦的激光能量，核聚变出约3.15兆焦的能量。

　　这只是证明了美国惯性约束技术路线的可行性，说明美国迈过了约束和点火两个坎。但是，点火后不可持续，准确地说点火只过了半个坎。

　　中国的“人造太阳”采用的是磁约束技术路线，由于磁约束聚变装置运行模式更持续、能量输出更稳定、且能量获取模式更为成熟，特别是发现新的高能量约束模式和在这个理论指导下403秒的实践突破，表明中国已彻底解决这三大难题，成功迈出三个坎。

　　通俗地说，中国已经找到了打开核聚变磁约束技术路线的金钥匙。有了这个理论指导，中国仅仅用了三个月，就在新理论新模式下取得等离子体运行403秒的重大突破，说明中国在黑暗中摸索终于看到了曙光，中国的核聚变技术离商用比美国更近一些。

　　据新华社报道，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。

　　天道酬勤，天佑中华！中国的商用核聚变堆越来越近了！中国一旦早于美国取得核聚变技术的商用，必将赢者通吃！