中國科學院等離子體物理研究所于北京時間7月4日宣布，中國的超導托卡馬克實驗裝置東方超環(huán)（EAST）在全球首次實現(xiàn)了上百秒的穩(wěn)態(tài)高約束運行模式，此項跨越級突破為人類開發(fā)利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術(shù)基礎。這也是經(jīng)過多年研究，中國的科研團隊成功攻克一大批國際共性難題后，在世界上首次實現(xiàn)5,000萬度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運行。

繼2016年末取得重大突破，時隔半年中國再次取得更具有里程碑意義的突破，實現(xiàn)了從60秒到百秒量級的跨越，顯示中國聚變研究的發(fā)展速度已遙遙領(lǐng)先其他國家。其重要性在于高約束模式是被物理學家認為的未來核聚變電站的最佳工作狀態(tài)，此次突破對于后續(xù)核聚變電站的研究具質(zhì)變意義。

毫無疑問，這次的突破將為中國下一代核聚變裝置的建設，世界第一座核聚變電站——擬建的中國聚變工程試驗堆（CFETR），以及國際核聚變清潔能源的開發(fā)利用夯實基礎。

中國新一代“人造太陽”實驗裝置獲重大突破

什么是“人造太陽”

當下人類所處的時代，能源應用無所不在，但迄今為止各種能源的使用或多或少都會受到總量、時間或地域等的限制，而聚變能源的開發(fā)，將助力人類徹底解決能源需要。

科學實驗告訴我們，當質(zhì)量較小的原子合并成質(zhì)量較大的原子時，會伴之發(fā)生質(zhì)量減少和能量釋放，即核聚變反應。與核裂變不同，使原子彼此合并發(fā)生核聚變，必須讓它們的原子核接近到飛米級。而要達到此距離，則需將原子核加熱到數(shù)千萬攝氏度以上，從而使其具有極大動能，以克服電荷間極大的斥力。亦因此，核聚變反應又被稱為熱核反應。

相較其他各種能源，核聚變的燃料供應充足。核聚變能利用的主要燃料氘大量存在于海水中，海水中氘的總量約45萬億噸，按世界消耗的能量計算，海水中氘的聚變能可用幾百億年。另一種核聚變主要燃料氚則可由鋰制造，雖說地球上鋰的儲量比氘少，但從已知儲量兩千多億噸來看，人類將其用來進行氘氚反應也夠用了。

人們熟知的太陽即可謂是一個大規(guī)模的核聚變反應堆，每天都在產(chǎn)生巨大的能量，其中心溫度達到1,500萬攝氏度。雖然核聚變能源雖然取之不盡、用之不竭，但如何安全、可控地利用聚變能源卻是人類一直在努力仍未解決的課題。

為解決聚變控制問題，世界各地建立了多個聚變實驗裝置。美、法等國在上世紀80年代中期發(fā)起了耗資數(shù)十億歐元的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產(chǎn)生能量的過程類似，故而受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為“人造太陽”。

穩(wěn)態(tài)高約束運行模式是ITER計劃的基本運行模式，也是未來反應堆需要解決的關(guān)鍵科學問題。ITER預計將在2025年點火，產(chǎn)生第一束等離子體。中國于2003年加入了該計劃，并在項目中承擔10%的工作量。

中西角力“人造太陽”

中國雖然初期在ITER計劃中承擔工作量較小，但隨著時間的推移在該計劃中扮演的角色益發(fā)重要。2016年，由中國研制的熱核聚變堆核心部件在國際上率先通過認證。中國科研人員在國際競爭中率先摸索出讓三種材料緊密結(jié)合的創(chuàng)新工藝，并在權(quán)威機構(gòu)進行的試驗中經(jīng)受住了比設計標準高出20%的極端高溫環(huán)境考驗。業(yè)界認為，這是中國對國際熱核聚變實驗堆項目的重大貢獻。

除了參與ITER項目，中國自己也在開發(fā)研制核聚變實驗裝置，并將其命名為EAST。EAST是由中國科學家耗時8年獨立設計建造的世界首個全超導核聚變實驗裝置，于2007年通過國家驗收。其規(guī)模比ITER小，但兩者均系全超導非圓截面托卡馬克，即兩者的等離子體位形及主要的工程技術(shù)基礎相似，而EAST至少比ITER早投入實驗運行10年至15年。

中國全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST

中國“人造太陽”不斷獲得突破，EAST近年來取得一系列國際領(lǐng)先實驗成果。中國第四代核聚變實驗裝置東方超環(huán)高11米、直徑8米、重達400噸。2016年11月，EAST成為世界首個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運行持續(xù)時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。而此次，EAST又實現(xiàn)百秒量級的突破，這是等離子體被控制在高約束模式下獲得的最長世界紀錄。

據(jù)了解，ITER將采用射頻波主導的低動量注入運行模式以及主動水冷的鎢偏濾器結(jié)構(gòu)。EAST則是目前世界上唯一具備這兩大特色的且具有長脈沖運行能力的全超導托卡馬克，其穩(wěn)態(tài)運行模式將為ITER和未來核聚變反應堆提供重要參考。

作為國際重要的長脈沖核聚變實驗平臺，近年來，EAST相繼完成了輔助加熱、鎢偏濾器、等離子體物理診斷等系統(tǒng)的升級改造，克服了加熱與電流驅(qū)動、分布參數(shù)測量等關(guān)鍵技術(shù)難題，深入研究和基本解決了射頻波耦合、高約束等離子體穩(wěn)定性控制、等離子體與壁相互作用物理、低動量條件下加熱和電流驅(qū)動下輸運、雜質(zhì)輸運和控制等一系列穩(wěn)態(tài)運行密切相關(guān)的物理問題。

中西方在“人造太陽”方面的角力，西方明顯已處于劣勢。

西方的憂慮

2016年4月25日，中科院等離子體物理研究所為法國聚變實驗裝置WEST建造的首套離子回旋天線竣工并交付法方。這是中國首次向法國出口核聚變工程技術(shù)，同時亦是中國首次向國際輸出業(yè)界最高標準的核聚變關(guān)鍵部件。

顯然，中國的快速發(fā)展引發(fā)了其他國家的擔心。擬建的CFETR將在2030年投入運轉(zhuǎn)，最初的發(fā)電量為200兆瓦，在隨后10年發(fā)電量將提升至千兆瓦，超過大亞灣所有商業(yè)裂變反應堆的發(fā)電量。如果中國成為首個實現(xiàn)聚變技術(shù)商業(yè)化的國家，其經(jīng)濟、地緣政治優(yōu)勢將更為彰顯。

近年來中國在ITER項目中的影響力顯著提高，據(jù)傳，因為擔心中國將利用從ITER獲得的知識加快CFETR的建設速度，ITER項目的其他6個參與方，日本、韓國、俄羅斯、美國、印度和歐盟甚至討論要將中國踢出該國際項目組。但現(xiàn)實是，如果中國不再參與，受多年延遲和巨額超支嚴重困擾的ITER或?qū)o法繼續(xù)下去。

在7個參與方中，ITER的中國籍雇員人數(shù)初期是最少的，如今已僅次于歐盟。“對其他國家來說，最好的選擇是接受甚至支持中國領(lǐng)導聚變研究”， 牛津大學基督圣體學院院長、前英國卡勒姆聚變中心主任史蒂文·考利（Steven Cowley）對媒體作出了如是表示。