1056秒！中国“人造太阳”再创最长放电纪录

2021年12月30日晚

中科院合肥物质科学研究院

等离子体物理研究所

有“人造太阳”之称的

全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）

实现1056秒的

长脉冲高参数等离子体运行

打破了自己保持的411秒最长放电纪录

（原纪录是2012年6月27日创造的）

这是目前世界上

托卡马克装置高温等离子体运行的

最长时间

Part.1

1000+秒放电，激动人心的时刻

12月30日21时55分，EAST启动第106915次放电实验，这次放电的目标是获得大于1000秒的超长脉冲高温等离子体，预设放电长度是1057秒，一旦成功将是全新的世界纪录。随着60秒倒计时的结束，等离子体成功建立，低杂波电流驱动和电子回旋也随后稳定投入。

EAST控制大厅放电实况

之后，便是漫长的等待，将近18分钟的时间大家目光都紧盯着主控屏，翘首期盼新纪录的诞生，还有的同事拿起手机纪录这一激动人心的时刻。22时14分，等离子体顺利软着陆，屏幕上的时长最终定格在了1056.66秒，1000+秒超长脉冲高温等离子体最长放电纪录由此诞生，四周响起热烈的掌声。

1056秒超长脉冲放电

Part.2

1000+秒首次突破，挑战三大科学难题

本次实验是EAST首次突破千秒大关，想要成功获得1000秒超长脉冲高温等离子体，面临的科学问题非常多，其中最为突出的就是：完全非感应电流驱动、再循环与杂质控制、热与粒子排出等问题。

首先，超长脉冲等离子体运行依赖于射频波电流驱动。而EAST恰恰以射频波加热方式为主，是目前国际上唯一具备与国际热核聚变实验堆（ITER）相同加热方式，最有能力在粒子平衡时间尺度上实现长脉冲高性能运行的装置。本次1056秒长脉冲等离子体获得，EAST低杂波电流驱动和电子回旋驱动均实现了完全跟随，提供重要保障。

EAST是目前世界上最先进的核聚变实验装置之一

其次，杂质控制问题也非常关键。随着运行时间尺度的延长，等离子体与壁的相互作用会导致杂质的大量爆发，本次实验EAST团队通过锂注入实现对杂质抑制，保证长脉冲实现。

另外，时间的延长也会导致大量的热和粒子累积，需要将其有效排出，EAST先进的偏滤器设计成功解决这一问题。

升级后的EAST的内真空室

（等离子体在这里运行）

Part.3

首先介绍一下屡破纪录的选手——EAST

下面这个视频制作于5年前，介绍了中国太阳装置是什么样子，为什么研究人造太阳：

中国科学院合肥物质科学研究院的实验型先进超导托卡马克”（EAST）能将一种氢气——被称为等离子体的一种灼热的离子化气体，起初它能加热到大约5000万开氏度（约合4999.9万摄氏度），而太阳中心的温度大约为1500万开氏度。

根据这一热力学温标，绝对零度为零开氏度（相当于零下273.15摄氏度）。在这个温度，所有分子运动都会停止。

合肥这个实验中达到的温度则位于这一温标的另一端，大约相当于一个中等规模的热核爆炸所能达到的温度。该实验的目标是创造接近太阳深处的核聚变环境。

EAST是由前苏联科学家发明的，目的是控制核聚变用于发电。

由于产生的温度极高，出于安全考虑，EAST利用强大的磁场让等离子体保持圆环状——想象一下一个不断旋转的巨大甜甜圈。原子在超导磁体的作用下漂浮在适当位置。

但控制处于如此灼热、如此不稳定状态下的氢气是一项严峻挑战。过去60年建造的大部分托卡马克装置都无法维持20秒以上。2021年5月28日凌晨，中国科学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 (东方超环)第16轮EAST装置物理实验实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行和1.6亿度20秒等离子体运行，创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录

实现核聚变发电的两大难点是如何实现上亿度点火和稳定长时间约束控制。上亿度等离子体长时间维持尤为困难，这需要将上亿度等离子体与零下269度超导磁体、高热负荷等离子体与壁材料相互作用、动态精密控制等多项极端条件同时高度集成和有机结合，难度和挑战非常大，此前国际上超过1亿度的等离子体运行最长持续时间为20秒。

通过这个介绍，大家应该可以明白，可重复的1.2亿度101秒等离子体运行和1.6亿度20秒等离子体运行是重大突破了。

上亿度高温等离子体条件下连续稳态运行是未来聚变发电的必要条件。1.2亿度101秒等离子体运行，是EAST装置首次在国际上采用全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器、稳态高功率波加热、等离子体位形精密控制等一系列未来聚变堆必须采用的关键技术的验证。

如今又实现了7000万℃高温下1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，打破了自己保持的世界纪录，标志着我国在可控核聚变研究上处于世界领先水平。

下面这个视频也是多年前制作的，通过它大家可以了解人类为什么研究人造太阳：

Part.4

什么是核聚变，它有多么神秘

核聚变，顾名思义，是利用原子核聚变反应产生能量。人类最早发现的核聚变反应是太阳内的核反应，它不断地向外辐射能量，向地球输送能源。因此，核聚变也被看作是宇宙的能源。它的好处也是显而易见，比如安全性高，废料处理成本低，原料容易获得等等。

核聚变的燃料，氢的同位素氘在海水中储量极为丰富，从一升海水中提出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300升汽油的能量。核聚变反应堆不会产生污染环境的硫、氮氧化物，更不会释放温室效应气体，而且核聚变反应堆具有绝对的安全性。可以说它是一种无污染，无核废料，资源近乎无限的理想能源。受控核聚变发电的实现将从根本上解决人类的能源问题。

这话说起来容易，实践起来谈何容易，太阳是一颗中等质量的恒星，质量相当于地球的N倍，其内部可以达到1500万度的高温和N个大气压的高压，所以能够产生可持续的核反应。而氢弹，其爆炸机理干脆就是用原子弹当引信，利用原子弹核裂变反应产生的高温高压引发核原料产生聚变反应。

受控核聚变反可用惯性约束或者磁约束的方式使之发生可控的、安全的核聚变反应，从中获得的热量可以转化为机械能，进而转化为电能，以替代目前广为使用的化石能源。

另外，受控核聚变不是一个独立的专业，而是一个高度综合的学科。有搞激光的，有搞阀门的，有搞等离子体物理的，有搞材料的，电控的，计算机的，等等等等，太多了……没有任何一个人能掌握关于它的所有知识，所以，它是研究是建立在整个国家的整体制造能力之上的，咱们直观学机械的每一位读者都是制造业链条上一个环节，加油！！！

参考文献：

[1]人民日报客户端：新世界纪录！突破100秒！

[2]科普中国：2分钟看懂中国“人造太阳”

[3]新华社：1.2亿摄氏度“燃烧”101秒！中国“人造太阳”创造新世界纪录

[4]国资小新：“人造太阳”（HL-2M）首次放电！中国核聚变发展获重大突破

[5]新城商业：人造太阳或将成真

[6]央视新闻客户端：1.2亿摄氏度燃烧101秒！中国人造太阳创亿度百秒世界纪录

[7]中国科普博览：1056秒！中国“人造太阳”EAST再创最长放电纪录

[8]新华社：1056秒！合肥“人造太阳”创造世界新纪录！

[9]直观学机械：新世界纪录！中国人造太阳1.2亿℃燃烧101秒

来源：直观学机械

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