刷新世界记录！中国“人造太阳”实现重大突破！

“人造太阳”，也叫“托卡马克”装置,是一种由人类控制的、模拟太阳在发光发热过程中发生的一系列反应而制造出来的核聚变研究装置，是可控核聚变技术的未来应用方向之一。

“人造太阳”，不光清洁、高效，还能在事故发生时立即自发停止反应，因为维持反应所需的条件非常苛刻。

但让聚变反应稳定进行成了一道难题，这对等离子体控制技术提出了很高的要求。最近，中国科学家们朝着攻克这道难题迈出了一小步。

西物院的“高约束模式”

中核集团核工业西南物理研究院（简称“西物院”）宣布，8月25日，“中国环流三号”托卡马克装置（HL-2M）首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。

这项突破是核聚变装置综合能力的体现，也是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑。此前在2022年11月，西物院就宣布HL-2M等离子体电流首次突破100万安培。这次实现的“高约束模式运行”，究竟有怎样的意义？

高约束模式是一种先进的反应堆运行模式，由德国科学家弗雷德里希·瓦格纳（Friedrich Wagner）在1982年率先提出。

和更早的一些运行模式相比，在加热等离子体以达到聚变条件的过程中，高约束模式能大幅增加等离子体的密度和储能，将聚变反应的效率提高数倍。高约束模式的发现带来的最直接影响，就是可以缩小聚变反应堆的规模，节约建设成本。这也是正在建造的国际热核聚变实验堆（ITER）选择的标准运行模式。

建设中的ITER（2018年拍摄）

图片来源：wikipedia

未来的核聚变反应堆需要在百万安培量级的电流下，以高约束模式稳定运行。具体而言，要实现核聚变反应的应用，需要使反应产出的能量大于消耗的能量，并且有足够的能量维持反应稳定进行，这些判断标准称为“劳森判据”。

这次实验的成功意味着距离通过劳森判据又近了一步。为了取得这项成就，“（研究团队）今年就突破了三大关键技术难题，包括大电流下的高约束模式运行控制，高功率加热系统注入耦合，以及先进偏滤器位形控制方面”。西物院控制与信息技术研究室主任副研究员李波在接受新华社采访时介绍。

未来的研究方向

西物院计划在高约束模式下进一步提升参数，例如将等离子体温度提升到1亿摄氏度。在未来，HL-2M还将把等离子体电流能力将提高到250万安培以上。

HL-2M 100万安培等离子体运行实拍画面

图片来源：新华网

劳森判据主要取决于三个核心参数：燃料的离子温度、等离子体密度和能量约束时间。

科学家正在尝试逐个提高这些指标，不断接近实现可控核聚变应用的目标。在运行时间方面， “东方超环”全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）在今年4月创下世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。

在人类历史上，核聚变研究已经走过了一百多年的历程。最近20多年，随着HL-2M等大型实验装置纷纷建成，科学家正在不断冲击新的目标，致力于在2050年实现能源化利用。

参考资料

[1] 新华网. 探访新一代人造太阳“中国环流三号”[EB/OL].http://www.news.cn/tech/20230901/f90cd937d9984314b9baa4c8221db374/c.html. 2023-09-01/2023-09-06.

[2] 董家齐. 托卡马克高约束运行模式和磁约束受控核聚变[J]. 物理, 2010, 39(06): 400-405.

[3] 段旭如. 科技日报. 提高三乘积，让可控核聚变走向现实[EB/OL].http://www.news.cn/science/2022-11/08/c_1310674449.htm.2022-11-08/2023-09-06.

[4] 中国核工业集团有限公司. 重大突破！我国掌握可控核聚变高约束先进控制技术[EB/OL].https://www.cnnc.com.cn/cnnc/xwzx65/ttyw01/1365133/index.html.2023-08-28/2023-09-06.

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来源丨“科协之声”微信公众号

作者丨戚译引 科普作者

责编丨金禹奋