“一团耀眼的白光从山脉尽头升起,一瞬间把停泊的舰队照得清晰无比。章北海感觉自己在目睹群山上的日出......”
科幻小说《三体》有这样一段关于太空飞船发动机运行时的描述，小说中的人类已经能够利用核聚变技术冲破地球束缚，遨游星辰大海。
图 | 太阳表面
众所周知，煤炭、石油等传统化石能源储备有限，随之而来的还有种种环境污染问题，人们一直在寻找可替代的清洁能源，例如风能和潮汐能。然而这些清洁能源因为其不稳定性和高功耗，无法大规模取代现有的能源结构，相比之下，核聚变能要更加清洁、高效。一旦掌握了核聚变能，人类将实现“能源自由”。
经过科学家们70多年的不懈努力，核聚变的应用正在逐渐成为现实：2023年4 月 12 日 21 时，中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造了全新的世界纪录，在稳态高约束模式下，等离子体成功稳定运行 403 秒，将2017年101秒的世界纪录足足延长了三倍之久！
核聚变原理
核聚变，作为一种发生在太阳等恒星内部的反应，其反应过程可大致描述为：核聚变的过程，两个轻原子核融合成一个新的原子核，所产生的原子核质量比原来两个原子核的总质量略轻。然而反应过程中的质量差并没有消失，而是被转化为大量的能量。因此，核聚变反应堆也被形象地称作“人造太阳“。
图 | 核聚变
在极端条件下，原子表面的电子将会挣脱原子核的束缚，变成正离子和自由电子组成的高温带电气体。这一状态被称为等离子体态，具有不同于常规物质状态的性质。等离子体处于无序状态、超热，易发生混沌和其他不稳定性，因此操纵等离子体是实现可控核聚变的关键所在。
超导托卡马克装置（EAST）
本次实验中的全超导托卡马克（Токамак）核聚变实验装置（EAST），是一种利用磁约束来实现磁约束聚变的环性容器，其最主要特点是可以长时间约束等离子体，相较于其它核聚变反应堆，其在可控核聚变方向可靠性最高。
作为世界上第一台由中国设计研发的超导托卡马克装置，EAST 于 2007 年正式投入运行。EAST 具有非圆形截面、全超导磁体和全主动水冷等离子体面对组件三大显着特点，EAST 装置上有核心技术 200 多项、专利 2000 余项，汇聚了等粒子物理、材料科学与工程、先进诊断技术等领域的前沿研究成果；相比国际热核聚变实验反应堆，体积更小且更灵活，对稳态等离子体的研究具有重要意义。
图 | 托卡马克的磁场和电流
可以看到，在托卡马克内部，红色箭头所示的电场驱动电流通过等离子体柱，将产生一个垂直方向上的磁场，等离子体电流则会被弯曲成一个圆形（绿色垂直线圈）。这一设计的主要目的是防止泄漏，并且在一个环形容器内形成一个真空环境，以延长等离子体的寿命。环形磁场和极向磁场相结合会形成一个类似螺旋结构（黑色箭头）的三维曲线，等离子体在其中会受到高度约束。
在 EAST 中，受益于极向场超导磁体的应用，将产生大于 10^6A的等离子体电流，且在高功率加热下温度将超过一亿度，为核聚变反应提供高能的环境。
图 | EAST
此次突破不仅是中国科技发展的里程碑，对于全球能源和环保事业都有着积极的影响，随着可控核聚变技术的不断突破，我们能够更好地利用自然资源，改善能源短缺的现状，从而推动人类文明的发展。
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