中國「人造太陽」EAST實現1.2億攝氏度燃燒101秒，我們離可控核聚變還有多遠？

大資料文摘出品可控核聚變是科幻作品中的常客。1997年，偵探驚悚片《聖徒》涉及到了冷聚變的陰謀；2004年，電影《蜘蛛俠2》中的奧克塔威爾斯博士利用核聚變擁有了毀滅性的能力；2008年，電影《鋼鐵俠》中鋼鐵俠的外骨骼集成了一套小型的聚變反應堆；2013年，設定在公元2077年的《遺落戰境》影片中，聚變核電站已經為土衛六泰坦上的殖民地提供電力能源；2014年，《星際穿越》中主角乘坐聚變動力的太空飛船"持久"號從太陽系旅行到宜居星球去，其中每艘太空飛船上都有一個緊湊的託卡馬克提供動力和電源。可控核聚變在人類心目中的地位，從科幻作品中就可見一斑。可控核聚變會承載人類如此多的想象，原因就在於核聚變能源的原材料在地球上幾乎取之不竭，排放無汙染，被視為可以解決能源問題的「終極答案」。1950年以來，人類就開始研究用於民用目的的受控熱核聚變，到如今已經60多年過去了，人類依然在這條道路上不斷向前探索，也取得了不少突破。2021年5月28日，基於40多年努力，有「人造太陽」之稱的全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創造新的世界紀錄，成功實現可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，向核聚變能源應用邁出重要一步。「人造太陽」1.2億攝氏度成功「燃燒」100秒時，內部的紅外影像（中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所）從「發展中國家最先進的託卡馬克裝置」到全球第一全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）是國家發改委批准立項的「九五」國家重大科技基礎設施，擁有類似太陽的核聚變反應機制，因此該設施也被稱為「人造太陽」。其運行原理就是在裝置的真空室內加入少量氫的同位素氘或氚，通過類似變壓器的原理使其產生等離子體，然後提高其密度、溫度使其發生聚變反應，反應過程中會產生巨大的能量。EAST的發展歷程可以追溯到1991年3月正式立項的HT-7，作為「發展中國家最先進的託卡馬克裝置」，在1994年12月，完成了極向場控制系統後又進行了首次工程偵錯，獲得首次等離子體。在HT-7成功運行的基礎上，「九五」國家重大科學工程--大型非圓截面全超導託卡馬克核聚變實驗裝置HT-7U在1998年立項。1998年7月國家計委下達投資[1998]1303號文，同意由中科院主持，中科院等離子體物理所承擔國家重大科學工程項目「HT-7U超導託卡馬克核聚變實驗裝置」 的建造。2003年10月，為使國內外專家易於發音、便於記憶同時又有確切的科學含義，HT-7U正式改名為EAST (Experimental and Advanced Superconducting Tokamak)。到2009年，世界上首個全超導非圓截面託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）首輪物理放電實驗取得成功，標誌著我國站在了世界核聚變研究的前端。此後，EAST便不斷取得突破性成果，成為該領域的全球領頭羊。2016年2月，中國EAST物理實驗獲又取得重大突破，實現在國際上電子溫度達到5000萬度持續時間最長的等離子體放電。2018年11月12日，從中科院合肥物質科學研究院獲悉，EAST近期實現1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破。 2021年5月28日，中科院合肥物質科學研究院的全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創造新的世界紀錄，成功實現可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，將1億攝氏度20秒的原紀錄延長了5倍。科研人員稱新紀錄進一步證明核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定物理和工程基礎。我們距離可控核聚變還有多遠？劉慈欣在《三體》一書中提到人類在22世紀掌握了可控核聚變技術，並且利用該技術發明出了太空飛船核聚變發動機，從而可以將飛船加速到光速的15%。作為大家心目中的硬科幻作家，劉慈欣對於在本世紀人類能夠實現可控核聚變也不樂觀，廣大網友喜歡說的「永遠還有50年」的梗也說明了人們心中可控核聚變的難度之大。從1939年，美國物理學家貝特通過實驗證實核聚變以來，人類一直在不斷探索著這個讓太陽發光的原理的奧祕。目前來說實現核聚變發電的兩大難點是實現上億度點火和穩定長時間約束控制，這中間涉及到大量需要解決的理論和實踐的問題。本次實現1.2億攝氏度101秒等離子體運行，是中國首次在國際上採用全金屬主動水冷第一壁、高效能鎢偏濾器等關鍵技術，在實現可控核聚變的道路上算是又邁出了堅實的一步。那麼人類離可控核聚變還有多遠？根據「真·人在現場」的知乎大佬@閆某某的回答，在做到目前這個程度上之後，還有許多問題需要解決。他認為：理論上和實際上的困難都有，主要是實踐上。聚變裝置，越大，越有利於反應控制。但是，越大，工程難度也越大。其次，是磁場，託卡馬克採用磁約束，磁場強度是核心關鍵量，磁場越大，越能約束更好的等體，然後常態穩定的強磁場，仍舊難以獲得。再次，是加熱，現在使用的加熱方式，有歐姆加熱，波加熱，中性束加熱等方式，都有優點，也都有侷限，要更高的等體溫度，恐怕還得再研究。之後，是第一壁，雜質等。第一壁直接面對等體，到目前為止，什麼是最好的材料還沒有定論。而雜質種類眾多，如何除雜難有定論。在他看來，儘管未來路還是很長（還有很多頭髮要掉），但是隨著國家這些年不斷加大投入，以及更大的裝置落地實現，真的有種感覺，永遠的50年正在變為49年。正如蘇聯物理學家、託卡馬克之父Lev Artsimovich的至理名言所說：「當整個社會都需要的時候，聚變就會實現。」相關報道：https://www.zhihu.com/question/461890685/answer/1910959347http://www.xinhuanet.com/2021-05/28/c_1127504309.htmHT-7 | All-the-World's Tokamaks - extras (wordpress.com)https://baike.baidu.com/item/%E6%A0%B8%E8%81%9A%E5%8F%98