2025年1月20日，安徽合肥科學(xué)島上，中國科學(xué)家首次將上億度的等離子體火焰禁錮在磁場牢籠中整整1066秒，人類距離點(diǎn)亮“人造太陽”的夢想從未如此接近。

如果告訴你，1克物質(zhì)可以產(chǎn)生相當(dāng)8噸油燃燒的能量，你會相信嗎？這就是核聚變的真實(shí)威力。太陽普照大地50億年，其能量來源于核心處一刻不停的核聚變反應(yīng)。當(dāng)兩個氫原子核在極端高溫高壓下聚合形成氦原子時，部分質(zhì)量會轉(zhuǎn)化為巨大能量。1克氫聚變釋放的能量相當(dāng)于燃燒8噸油，而海水中每升含有30毫克可作聚變?nèi)剂系碾?，完全釋放的能量相?dāng)于340升油之多。

然而在地球上復(fù)制太陽絕非易事，我們先來了解一下太陽是如何完成核聚變的。在太陽核心，溫度高達(dá)1500萬攝氏度，壓力達(dá)到地球大氣壓的3000億倍。在這種極端環(huán)境下，氫原子失去了外層電子，變成帶正電的原子核。盡管同性相斥的電磁力試圖將它們推開，但巨大的壓力和溫度賦予了原子核足夠的動能，使它們能夠克服這道電磁屏障，最終釋放出驚人的能量。

但地球上沒有太陽那樣的引力條件，即便我們挖到地心，也無法產(chǎn)生足以引發(fā)核聚變的壓力。更何況，地球內(nèi)部溫度最高也只有6000攝氏度左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到聚變所需的條件。由于溫度和壓力在聚變反應(yīng)中可以相互補(bǔ)償，要想在地球上實(shí)現(xiàn)聚變，我們需要超過1億攝氏度的溫度。溫度越高，原子核的運(yùn)動速度越快，相互碰撞的能量就越大，克服電磁斥力的概率也就越高。

當(dāng)溫度升高到幾千度時，原子中的電子會獲得足夠的能量，掙脫原子核的束縛，自由游離。這時物質(zhì)進(jìn)入了第四態(tài)，也就是等離子體態(tài)。它不同于我們熟悉的固體、液體和氣體，而是由帶正電的離子和帶負(fù)電的電子組成的電離氣體。閃電、霓虹燈、太陽風(fēng)，這些都是等離子體的表現(xiàn)形式。在1億度的極端高溫下，所有物質(zhì)都會變成等離子體。

這樣的高溫等離子體足以瞬間汽化任何已知材料。即使是熔點(diǎn)最高的鎢（3422攝氏度）或碳化鉭（4000攝氏度）。世界上沒有任何容器能夠承受如此高溫。

于是科學(xué)家們利用了磁場。

這要從等離子體的一個特性說起：它是由帶電粒子組成的，而帶電粒子在磁場中會受到洛倫茲力的作用。就像指南針會被磁鐵吸引一樣，等離子體中的離子和電子會沿著磁力線做螺旋運(yùn)動，被捆綁在磁力線上。如果能夠設(shè)計(jì)磁場的形狀，就可以把等離子體約束在特定的空間內(nèi)。

托卡馬克，這個來自俄語"帶磁線圈的環(huán)形腔"的名字，正是這種磁約束裝置的代表。它的基本結(jié)構(gòu)像一個巨大的甜甜圈，但內(nèi)部的磁場設(shè)計(jì)卻極其復(fù)雜。

首先是縱場線圈，它們像項(xiàng)鏈一樣環(huán)繞在甜甜圈外面，產(chǎn)生沿著環(huán)形方向的磁場。但僅有縱向磁場還不夠，因?yàn)閹щ娏Ｗ訒刂帕€漂移到器壁上。于是科學(xué)家又在環(huán)形器中心穿過一個變壓器，在等離子體中感應(yīng)出環(huán)向電流。這個電流會產(chǎn)生極向磁場，與縱向磁場疊加形成螺旋形磁力線。

為了讓等離子體穩(wěn)定懸浮在真空室中央，托卡馬克還需要極向場線圈來調(diào)節(jié)磁場形狀，需要反饋控制系統(tǒng)來實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整等離子體位置，需要真空系統(tǒng)來防止雜質(zhì)污染，需要加熱系統(tǒng)來維持高溫。

中國的EAST裝置正是這樣一個磁瓶子，但它有三個獨(dú)特之處：全超導(dǎo)、非圓截面和主動冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)。全超導(dǎo)意味著磁場可以長時間穩(wěn)定運(yùn)行；非圓截面讓等離子體更加穩(wěn)定；主動冷卻則確保裝置不會過熱。這三大技術(shù)的結(jié)合，使EAST成為世界上最先進(jìn)的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置之一。

傳統(tǒng)托卡馬克使用的是常規(guī)銅線圈，就像家里的電線一樣，通電時會發(fā)熱。要產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，需要巨大的電流，這意味著驚人的能量消耗。而且銅線圈發(fā)熱后電阻會增大，磁場強(qiáng)度受限，只能間歇運(yùn)行，通常工作幾十秒就必須停下來冷卻。

EAST采用了全超導(dǎo)技術(shù)。超導(dǎo)材料在極低溫度下（約-269攝氏度）電阻會完全消失，電流可以在其中永久流動而不產(chǎn)生任何損耗。EAST的超導(dǎo)線圈由鈮鈦合金制成，被液氦冷卻到接近絕對零度。一旦勵磁，磁場可以穩(wěn)定維持?jǐn)?shù)小時、數(shù)天甚至更長時間，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

如果切開一個傳統(tǒng)托卡馬克的橫截面，會看到等離子體呈圓形。但EAST采用了D形截面設(shè)計(jì)，看起來像一個豎立的字母D。D形截面可以顯著提高等離子體的穩(wěn)定性。在圓形截面中，等離子體容易發(fā)生各種不穩(wěn)定性，像圓形的肥皂泡容易變形破裂。而D形截面通過改變磁場位形，增強(qiáng)了對等離子體的約束能力。更重要的是，這種設(shè)計(jì)可以在相同的裝置尺寸下，容納更多的等離子體，提高聚變功率密度，這對未來的商業(yè)聚變堆至關(guān)重要。

還要注意的是即使等離子體被磁場完美約束，仍會有部分能量以輻射和粒子的形式逃逸出來，轟擊器壁。在EAST的1066秒運(yùn)行中，面向等離子體的第一壁要承受極高的熱負(fù)荷。EAST采用了先進(jìn)的主動水冷系統(tǒng)，第一壁由特殊的鎢銅復(fù)合材料制成，內(nèi)部布滿了細(xì)密的冷卻水管。冷卻水以每秒數(shù)米的速度流過，帶走熱量。

在核聚變研究的歷史上，1982年是一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。德國ASDEX裝置的科學(xué)家們在一次實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)，等離子體突然從低約束模式（L-mode）躍遷到了高約束模式（H-mode）。等離子體的能量約束時間一下子提升了近2倍。如果L模是普通的保溫杯，那么H模就是超級真空保溫瓶。在H模狀態(tài)下，等離子體邊緣會自發(fā)形成一道輸運(yùn)壘，像給高溫等離子體穿上了一件隔熱服，大大減少了能量損失。這個發(fā)現(xiàn)徹底改變了托卡馬克的設(shè)計(jì)路線，成為現(xiàn)代所有大型裝置追求的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式。

如果說EAST是一個奇跡，那最神奇的莫過于它內(nèi)部的冰火兩重天。在這個直徑8米的鋼鐵機(jī)器內(nèi)部，1億攝氏度的等離子體火球與零下269攝氏度的超導(dǎo)線圈僅僅相距1.2米，這種極端溫差如何和平共處？這需要一套精妙的隔熱系統(tǒng)。液氦冷卻的銅制熱屏像一道道盾牌，層層阻隔熱輻射；真空絕緣層如同隔熱毯，冷卻管路系統(tǒng)每秒帶走兆瓦級的熱量。

整個EAST裝置包含近百萬個零部件，每一個都必須精確配合，本身就是人類工程技術(shù)的巔峰之作。

要點(diǎn)燃核聚變之火，僅靠磁場約束還不夠，還需要把等離子體加熱到足夠高的溫度。EAST采用了兩種互補(bǔ)的加熱技術(shù)。第一把劍是離子回旋共振加熱（ICRF）。這項(xiàng)技術(shù)利用了物理學(xué)中的共振原理，當(dāng)電磁波的頻率與離子在磁場中回旋的頻率一致時，離子就會不斷吸收能量，溫度急劇上升。EAST的離子回旋加熱系統(tǒng)可以產(chǎn)生數(shù)兆瓦的功率，將能量精準(zhǔn)注入等離子體核心，就像用微波爐定點(diǎn)加熱食物的中心。

第二把劍是低雜波電流驅(qū)動（LHCD）。這不僅是加熱手段，更是維持等離子體穩(wěn)定的關(guān)鍵。低雜波可以在等離子體中驅(qū)動出環(huán)向電流，讓等離子體保持旋轉(zhuǎn)，防止危險的磁面撕裂不穩(wěn)定性。這就像陀螺旋轉(zhuǎn)時更加穩(wěn)定一樣，旋轉(zhuǎn)的等離子體也更容易維持平衡。

兩種加熱方式相輔相成：離子回旋波負(fù)責(zé)核心加熱，提供高溫；低雜波維持電流分布，保證穩(wěn)定。在1066秒的實(shí)驗(yàn)中，正是這種雙劍合璧的策略，讓等離子體既達(dá)到了聚變所需的高溫，又保持了長時間的穩(wěn)定運(yùn)行。

1066秒，不僅僅是一個數(shù)字，它是人類邁向聚變能源時代的堅(jiān)實(shí)腳印。

站在2025年的今天回望，從1950年代蘇聯(lián)科學(xué)家提出托卡馬克概念，到中國EAST實(shí)現(xiàn)千秒突破，人類用了70多年時間。EAST裝置自2006年建成運(yùn)行以來，等離子體運(yùn)行次數(shù)超過15萬次，這條路走得很長，但每一步都在加速。

參考文獻(xiàn)

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本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

出品丨中國科協(xié)科普部

監(jiān)制丨中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨蔡文垂 中國科學(xué)院大學(xué)博士研究生

審核丨梁忠偉 廣州大學(xué)機(jī)電學(xué)院 副院長

來源: 科普中國創(chuàng)作培育計(jì)劃

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