中国「人造太阳」EAST 运行时间突破千秒，对于探索核聚变能源应用有哪些意义？

新华社合肥12月31日电 2021年的最后一天，中科院合肥物质科学研究院传来消息：12月30日晚，该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，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。
中国“人造太阳”运行时间突破千秒-新华网

现在离应用还是有很长一段距离，首先要劳逊判据三重积，然后Q值要至少大于30，还有要能持续稳定运行。而且，现在九院那边氚的提取速度也不太能满足未来全面普及可控核聚变的需要。




未来，起码要等这空荡荡的聚变工程堆建成才能谈的上应用。
这次看的人挺多的，我就顺便科普一下可控核聚变。
可控核聚变现在基本上是磁约和惯约两条路线，磁约束分别有托卡马克，反场箍缩，和防星器三条路线。
托卡马克是环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)首字母合写，控制原理是由环形磁场和等离子体电流形成的磁场共同组成螺旋磁场来约束等离子体，然后由极向磁场来控制等离子体膨胀。因为微观尺度温度和电子离子动能相关，所以East加热原理是提高电子离子动能。有四种方式，电子回旋，离子回旋，中性束，低杂波。前两种是直接提高电子离子速度，第三种是把离子用电场加速后通过电子室，变为中性粒子，再让中性粒子和托卡马克内粒子进行碰撞来提高其动能。低杂波是引起共振。
仿星器是直接由外界电流形成螺旋形磁场来约束。
反场箍缩主要是蜗壳在做，它是纯欧姆加热。电子温度是几百个ev(几百万度)量级，持续时间是几百毫秒，通过电流最高是一百万安培。科大的ktx现在做的主要是对磁约束等离子体的测量工作，它也在对内部磁场电流等离子体密度的测量方面做出过不少突破，它的另一个目标就是探究托卡马克中的反常输运。


从电阻率公式可以看出，当温度较高的时候，等离子体电阻率快速下降，因此，欧姆加热效果急剧下降。所以，ktx在提高温度上比较困难。
关于仿星器和托卡马克的问题，我之前问过李院士，他回答，国内做最好的仿星器在温度和持续时间方面能达到托卡马克30年前的水平，国外最好的德国能达到托卡马克20年前的水平。
最后，闲话一下East，名字由来是白院长以前写的＂十年磨剑终成器，聚变曙光耀东方＂。它的做的比较好的地方我所知的，一个是约束时间长，稳定性好，一个是偏滤器做的比较好(用来分离出其他粒子，如反应产生的氦离子)。
惯约方面，原理是用物质包着聚变材料，激光照射，物质外层气化挥发，反冲力将内部聚变材料向内压缩，使其达到三重积。好像是13年吧，美国那边搞了一次实验貌似因为瑞利泰勒不稳定性失败了。而且，惯约那边特别鸡贼地表示，反应放出的能量高于照在聚变材料上的能量。用万院士的话讲，你用一分钱赚了一毛钱，然后告诉我这种方法能赚大钱。顺便提一句，现在搞惯约的不少都是在偷偷研究种蘑菇。

这热搜真的是等来的！
中核集团和中科院搞的核聚变有什么区别吗？今天凌晨回答问题的时候，下面就有业内人士告诉我，EAST完成了千秒级别运行，我说等热搜吧，结果真的今天下班就等来了！

牛逼～期待中科院的CFETR！
感觉这次立项绝对是稳了，非常期待中国人亲自验证，托卡马克才是最终的路！

人类nb！

本次放电较100s一亿度那次更为顺利一些，这可能是大家没有想到的，说明EAST为长脉冲采用的设计和运行都非常成功。前几天分别实现了400，600，800s这几个长度，可以说已经是破纪录的运行。这样的参数区间可能离子温度并不太高，但是对于检验工程、运行、高电子温度等离子体（为燃烧等离子体打基础）都是具有重大意义的。当然，EAST的历史使命还没有完成，还有许多未知的物理和工程问题等待发现。至于燃烧等离子体嘛，只能看BEST了。附现场图一张

震惊，哈哈哈，知乎小透明竟然也有被邀请回答的一天。
还是那句话，没下飞机，但是人！又！在！现！场！（我这运气也是绝了）


一图流证明在现场~
那么接下来，我们首先说说这次实验到底发生了什么，让我来引一下实验总负责人，龚先祖，龚大佬的原话吧~

2021年上半年，我们把电子温度1.2亿摄氏度等离子体维持了101秒，这次我们是把电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体维持了1056秒，注入能量达到1.73吉焦。这是两个不同阶段的目标，千秒等离子体运行的实现，为未来建造稳态的聚变工程堆奠定坚实的科学和实验基础。

接着说说意义，前面都引用龚老师了，那这次就再引一段宋云涛所长的原话吧。(没想到吧，我引用着引用着这答案我就水完了!我这篇答案今天就不过查重了!)

千秒量级等离子体运行再次挑战了世界托卡马克纪录，我们全面验证了未来聚变发电的等离子体控制技术，推动其从基础研究向工程应用迈进了一大步

最后来说说我做一个普通参与者的看法吧:
这次的1000s是在较低参数下进行的一次重要摸索吧，其最关键的也许是对于装置长时间稳态运行的考量。民用核聚变最终的目的其实是能够作为民用发电站，那就涉及到两个问题：
第一，他得能发电。
第二，他得持续能发电。
其中第一点，是靠着不断提高聚变条件最终实现可控核聚变完成的。而第二点，则是靠着不断拓长的运行时间来完成的。总的来说，我们现行的实验路线是：
提高参数！短时间放电！  好，参数达到！
稍微降低参数！长时间放电验证装置！ 好，时间达到！
再搞个更高的参数，短时间放电！ 好，失败！
找原因，高参数放电！  好 成功！
高参数稳态放电！  好，仪器烧穿啦！真空组冲上去修！
三个月后，各位，回来继续做，顺便分析一下上次为啥烧穿了!
如此往复n次。。。。。。。
最后我们才可能得到一个更好的参数，然后实现我们最后的理想。


那么我们这次的实验就是我们的稳态运行实验，是无数次循环往复中的一步，不普通但也普通的一步。虽然我很难断定，这是人类核聚变无数步中的哪一步。也很难说，这次的实验会让“永远的50年”变成永远的49年还是48年。不过有一点是我很确定的：中国的崛起是所有人都能看得未来。而像聚变，航母之类的国之重器，没有一个庞大国家，几万万人的共同努力是绝难以实现的。自从上一个答案之后，有很多人私信我，表示深感惭愧，或者希望日后考进等所为聚变奉献一份力量。但是在我看来，如果考进来为聚变出力当然好。而如果没能为聚变出力也根本不必为此惭愧。聚变的研究经费来源于国家，而中国是所有中国人一起构成的，无论各位身在何方，只要是在中国的土地上努力工作，合法缴税（我可不是针对谁）。那都对聚变做出了贡献，又何谈没有为国出力。
我相信，中国一定是未来世界第一的国家，中华民族也会是世界第一的民族，所以核聚变的第一缕曙光，也应当，也必须从中国亮起来吧。
诸君，干了这碗鸡汤，咱们就元旦休假，休完之后加油干吧~
<hr/>新年啦!祝大家新年快乐!考虑奖品已经名花有主啦，抽奖活动我就删了，奖品我近期就会寄出，恭喜 @小奕思 ~另外我们所还有很多很多厉害的老师（李建刚院士，万宝年院士等等等等，前期的后期的，在现场的，不在现场的，多到我一个答案写不下，但都为聚变做了很多努力）~希望以后可以带大家一一认识，后期有机会的话，我也可能把很多等所的宣传视频搬过来，给大家一方面了解小太阳，另外一方面让大家认识更多的咱们优秀的科学家。
另外，一个新的粉丝福利时间到了~鉴于后台有很多小伙伴私信我说怎么样才能报考咱们中科院等离子体物理研究所，我就不一一回复了，具体联系方式和报考要求我放下面了。
首先是我们的教育主管（有什么问题最好能先邮件咨询，不要直接打电话嗷~~~）

等离子体所教育主管：常老师
Hefei,Anhui,PRC 230031
Tel:0551-65591065
Email:yhchang@hfcas.ac.cn

然后是去年夏令营的一些招新要求，不知道今年会不会变动，准确的还是要以常老师那边的为准




最后呢，虽然我不是很耐得住寂寞，但是欢迎各位耐得住寂寞且比我更优秀的小伙伴来到岛上，和我一起吹水，指导我科研哈哈哈哈~
<hr/>1.19 最后一更:幸运观众的反图，祝大家新年快乐~(幸运观众竟然是个有过合作的电视台的编导哦!)

EAST“打败”EAST！中国“人造太阳”的纪录又被自己破了
1056秒。2021年最后两天，中国“人造太阳”EAST破了个记录。
2021年12月30日晚，托卡马克装置高温等离子体运行的世界最长时间记录创下了新高，成功实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行，打破了自己保持的411秒最长放电记录（原纪录是2012年6月27日创造的），运行时间首次突破了四位数！



图片来源：中国科普博览

新记录是怎么诞生的？又意味着什么？我们邀请到了EAST科研团队的王腾博士，
首先介绍一下屡破纪录的选手——EAST

“人造太阳”是“核聚变反应装置”一种通俗的说法，之所以称它为人造太阳，是因为它的反应原理和太阳一样。而研究人造太阳的目的，是为了解决人类面临的能源危机。
概括地说，可控核聚变是在模仿太阳产生能量的原理，目标是以极高的效率产生源源不断的清洁能源。而根据目前的理论基础，有几种实现可控核聚变的方式，托卡马克就是其中一种，而位于合肥的全超导托卡马克核聚变实验装置，简称EAST，是国际上最重要的核聚变研究实验平台之一。
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记录。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（图片来源：作者提供）

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记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记录由此诞生，四周响起热烈的掌声。



1056秒超长脉冲放电（图片来源：作者提供）

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是目前世界上最重要的核聚变实验装置之一（图片来源：作者提供）

其次，杂质控制等问题也非常关键。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）

1000+秒背后，协同作战

EAST作为一个大科学工程，是一项系统工程，1000秒超长脉冲高温等离子体突破的背后，是多个系统协同作战。
其中，值得一提的是磁测量信号漂移问题的解决。准确的磁测量是等离子体平衡控制的基础，任何一个小的测量误差经过1000秒的累积都可能被放大，直至影响到等离子体的控制。本轮实验之初，EAST团队等离子体控制组、电磁测量组、实验运行组等就针对磁测量信号漂移问题开展相关测试和优化工作。经过多方探索和改进，工作组发展了拟合权重模型，实现对信号漂移的准确扣除，保证了长时间尺度下等离子体控制精度。



EAST磁体测量系统优化


1000+秒，是目标更是起点

EAST是我国自主设计建成的世界首个具有非圆截面的全超导托卡马克实验装置，具有三大科学目标：1兆安等离子体电流、1亿度高温等离子体、1000秒运行时间。


建成于2006年的EAST装置，先后于2010年运行1兆安等离子体电流、2018年首次获得1亿度高温等离子体，加上这次实现大于1000秒运行。
截至目前，三大科学目标已经分别独立完成。



2010年11月28日，EAST运行1MA等离子体电流（34128）



2021年5月28日，EAST实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行（98958）

12月31日晨会上，EAST实验运行总负责人龚先祖研究员总结说，“成绩只属于过去，1000秒是阶段目标，更是新的起点”。成功的喜悦尚未褪去，EAST团队所有成员又投入到新的实验中去，为下一个实验目标而继续努力。
到目前为止，EAST累计放电次数超过10万次，一路走来，每一项记录就像一个深深的脚印，记录着我国在开发利用聚变能征程上的每一步。这条路目的地只有一个，就是“让聚变能的第一盏灯在中国点亮”，我们相信终点总会到达。
作者：王腾（中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）
出品：科普中国
监制：中国科学院计算机网络信息中心