中国「人造太阳」EAST 创世界纪录实现 1 亿摄氏度百秒 ...

【权威快报|中国人造太阳创亿度百秒世界纪录】5月28日，中科院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。科研人员称新纪录进一步证明核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定物理和工程基础。（新华社）

作为有幸见证这一时刻的一名普通科研工作者，收到了很多大家的关心和祝贺，激动和感谢的心情皆有。正好借这个机会，和大家聊聊这次的进展和体验。
关于“人造太阳”和EAST

可能还有些朋友对可控核聚变和EAST还不太了解，因为此前不少老师都做过科普，这里就不再赘述了，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，因此我们通过建造全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)并开展实验，来进行前期研究。
这次的突破究竟是什么？意外吗？

首先必须要说明，这次的突破并不是说大家很快能用上利用可控核聚变发的电了，更不是说我们造出了“人造太阳”。它还是处于实验室状态的一件事，严谨地说，它表明EAST装置综合研究能力获得重大突破，标志着我国在稳态高参数磁约束聚变研究领域引领国际前沿。
我们这次实验的主要目标是要获得芯部电子温度大于1亿摄氏度、持续时间超过100秒的可重复等离子体，经过紧张探索，EAST实验运行组逐步掌握了1亿度等离子体放电条件，并逐步延长放电时长。
20秒、40秒、60秒……终于！在5月28日凌晨3时02分的第98958次放电中，成功获得芯部电子温度1.2亿度持续时间101秒的等离子体，成功完成了预设目标，看到控制大厅屏幕上的数字突破100的时候，所有人都忍不住起立欢呼！



“人造太阳”1.2亿摄氏度成功“燃烧”100秒时，内部的红外影像（图片来源：中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）

有朋友问我，这次的突破意外不意外？惊喜不惊喜？
喜悦肯定是很大的，但是并不能算意外。其实，在本轮实验启动之初，我们团队就已经将1亿度100秒设定为主线目标之一。
EAST自2006年建成以来，多次创造或刷新过长脉冲高温等离子体运行纪录。例如，2012年实现2000万摄氏度411秒最长等离子体放电纪录，2016年获得5000万度100秒等离子体，2018年突破1亿度并获得20秒持续放电。
可以看到，相比于上次20秒的纪录，这次的放电时长延长了5倍，所以，虽然是我们自己设定的目标，但大家都感到这仍然是个巨大的挑战，所以能够成功完成，还是非常开心和激动的。
第98958步背后的故事




新华社为此次进展制作的两张海报（图片来源：见水印）

前文说到，虽然这次的突破本身也是计划中的目标，但能在如此短时间内实现突破，实属不易。
那么，我们自己是如何看待这次突破背后的原因的呢？
首先，EAST上次的升级改造提升了性能，为本次突破提供了良好的基础保障。EAST自2020年7月开始改造升级，经过近10个月的紧张施工，升级改造在2021年4月底正式完成，从五一劳动节当天，就开始就进入了紧张的工程调试阶段。



4月13日拍摄的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）（新华社记者 周牧 摄）

EAST这次升级的改造项目多、时间紧、任务重，还受到了新冠疫情的影响，但仍然按照计划高标准完成了任务，在尖端材料、关键部件、主要子系统等方面实施了一系列重大提升。
其中，比较关键的改造是内部全金属下偏滤器的升级以及外围辅助加热及诊断系统的调整。本次1.2亿度101秒等离子体的实现正是在下单零（LSN）位形下获得，可以说，我们的下偏滤器经受住了考验。同时，低杂波（LHW）和电子回旋（ECRH）辅助加热系统更是顶住压力，实现长脉冲高功率注入，为高温等离子体实现提供保障。
同时，这次突破也离不开整个EAST团队的锐意进取和夜以继日的奋战。
团队的付出是值得的，这次升级改造的效果也是显而易见的。
距离真正的可控核聚变，还有多远？还要过几关？

新华社的报道中提到，中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体所所长宋云涛表示：“实现新纪录，进一步证明核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定物理和工程基础。”
因此，也有不少朋友向我们咨询，现在是等离子体状态100秒，距离真正的可控核聚变，到底还有多远呢？
其实，这不是什么秘密。在中科院合肥研究院等离子体所等单位的牵头下，我国磁约束聚变的发展线路图已经拟定。



图片由作者提供，转载请注明出处

首先，我国已经参与了国际热核聚变实验堆（ITER）计划，ITER建成后将实现聚变功率500兆瓦长脉冲氘-氚燃烧等离子体，如果进展顺利，将于2025年建成运行。
其次，我国已经完成中国聚变工程试验堆（CFETR）的设计，并且在2019年9月正式启动了聚变堆关键系统综合研究设施（CRAFT）项目，计划利用五年多的时间完成CFETR关键技术难点的攻关。如果顺利获批，CFETR可能于本世纪30年代建成，将挑战稳态运行、氚自持、聚变能量输出等技术，是开发聚变能的关键一步。
最后，按照计划，我们想在本世纪中叶建成原型聚变电站，并实现我们的终极目标——聚变能实用化。
这次是100秒，下一个目标是什么？

看过了咱们国家磁约束聚变的发展路线，那么，接下来，EAST又有哪些新的目标和任务呢？
我们给EAST装置和自己设定了三大科学目标：1兆安培等离子体电流、1亿度高温等离子体、1000秒长脉冲运行。
未来，EAST将聚焦高参数运行模式和长脉冲运行模式，瞄准ITER重要和急需解决的重大科学技术问题开展科学研究，并探索未来CFETR的运行模式提供可行的技术路线。
业内人士如何看待“实现可控核聚变还有50年”？

网上有个关于可控核聚变的梗，是说“距离实现可控核聚变还有50年”，这句话从本世纪初一直说到现在，仍未改变，可谓“吐槽恒久远，一句永流传”……
那么作为业内人士，我是如何看待这句调侃的呢？
我觉得这句话恰恰说明了实现聚变能开发的挑战有多么巨大。回顾聚变研究近70年的历史，我们曾先后建成了中型托卡马克和大型托卡马克，发现了高约束模式，实现了功率增益大于1。特别是进入21世纪后，磁约束聚变迎来全超导托卡马克时代，使稳态运行成为可能。但我们也必须看到，前方还有不短的路要走。
至于究竟有多远？我想这我一个人肯定说了不算，反正按照咱们的计划，随着聚变科学的不断突破，我们乐观估计本世纪中叶能够实现稳态核聚变能源。
“让聚变能的第一盏灯点亮在中国”

最后，想和大家分享一下我的心情。
有不少朋友问我，参与这项研究的心情是什么样的？我们跑在最前面，而且距离商用还有挺长的路走，心中会不会也产生迷茫和不确定感？
实话实说，参与该项研究由衷感到自豪，但同时也感到紧迫。
《未来简史》将能源视为人类发展的关键资源之一，我们的研究是为可持续发展提供能源保障，同时，面对日益严峻的环境问题，我们倍感紧迫，希望早日迈向聚变能应用，助力碳中和目标。
虽然我国对于磁约束聚变的研究起步较晚，但后来者居上，依托EAST装置，我们成功实现了从并跑到部分领跑的跨越。与此同时，我们也要看到自身的短板，我们希望通过自身的努力实现全面领先的跨越。
我们的目标很坚定，就是要让聚变能的第一盏灯点亮在中国，为了这个目标，所有聚变人将心无旁骛、全力以赴！

作者：王腾（中国科学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
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在这里再说一下大家很关心涉密的问题，其实就整个EAST装置来讲，是我国国际合作最广泛国外科研人员往来最多的科研项目了。装置里面涉及的很多工程技术确实会有一些保密的部分，但那些都有相关的国内科技公司以专利等各种方式保护起来了。而我主要是依托装置做物理研究的，我们做物理的也不太能接触到工程技术涉密的那些  另外我们是很欢迎大家来了解核聚变，支持核聚变事业的。EAST装置本身也是个科普基地，通过正规预约途径是可以过来参观的。科学迷们有兴趣也可以多上上等离子体所的官网，上面有很多关于装置的介绍和新闻，这些信息都是可以公开获取的。附官网地址： http://www.ipp.ac.cn
      谢邀，实验结束后处理长脉冲那几炮的数据到现在才有空简单谈一下，后续有时间再补充。
      这个记录得来不易，是很多一线科研人员夜以继日工作的结果。EAST在经过接近一年的升级改造后，性能得到全面提升，这也是一个水到渠成的结果。
      等离子体温度1.2亿摄氏度101秒，这个实际上可以分解成两个问题，一个是加热问题（温度），一个是约束和等离子体稳定问题（时长）。
       等离子体的加热手段很多，主要包括：欧姆加热、波加热（电子回旋ECRH、离子回旋ICRH、低混杂波LHW等）、中性束加热（NBI）等手段。其中在较高温度时欧姆加热就上不去了，这是因为电子温度升高时等离子体电阻率下降，加热功率也随之降低。因此，波加热和中性束实际上是等离子体冲击亿度的关键加热手段。这轮实验EAST攻克了稳态高功率加热、完全非感应的高电流驱动等难题才使得等离子体温度顺利达到1.6亿摄氏度（20s）和1.2亿摄氏度（101s）。当然，等离子体温度也分为电子温度和离子温度，其中离子的加热比电子加热涉及的物理问题更多，也更难，不在此展开。
      另一个约束和等离子体稳定问题，在可控核聚变里面，这是最核心的问题。针对这个问题的不同解决思路也区别了核聚变发展的技术路线。目前主要研究都集中在磁约束和惯性约束，而磁约束里面托卡马克方案又是研究的主流，也是目前推进得最深入的路线。托卡马克装置里的等离子体需要稳定的磁场约束，而且还需要高精度的控制。
       EAST是世界上首个全超导的托卡马克装置，16个大型“D”字形超导纵场磁体可产生纵场强度（BT）3.5特斯拉，12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化量ΔФ≥10伏特*秒。这奠定了EAST实验长脉冲等离子体运行的硬件基础。等离子体在超亿度的高温下，高热负荷等离子体与壁材料的相互作用也会成为关键问题。事实上，这轮改造EAST的核心就是替换成主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器。全金属第一壁使得EAST有更好的热承载能力，更少的杂质产生，延长了杂质进入芯部等离子体导致破裂的时间。高精度等离子体实时控制也是本轮实验突破，在28日获得的3次超百秒运行都是采用了下单零位形（single-null）,同时也进一步验证了全钨下偏滤器的可靠性。


                                              图1. EAST本轮改造期间的真空室（21年4月摄）
       目前，EAST装置是国际上唯一具备与ITER类似加热方式和偏滤器结构的磁约束核聚变实验装置。以上黑体字的都是聚变堆必须采用的关键技术，这也是本轮实验数字（1亿度100秒）背后真正关键的物理和工程意义。
       另外，说些题外话。很多人关注核聚变，总习惯性地提问什么时候可以实现商用。事实上，个人觉得我们人类短期（五十年内）内远未到能源危机的地步，所以在核聚变发电这件事不妨给科学家们多点耐心和支持。也多关注在发展可控核聚变过程中攻克的工程和物理问题所带来的其它社会效益和价值。比如，鄙所在聚变大科学工程项目中（EAST和ITER）的超导、磁体、低温等大科学工程衍生技术在其它领域已经多有应用和落地。这些都在持续地回馈社会和国家的投入。


    图2. 国际核聚变合作中，中国为ITER提供PF6超导线圈（图源中科院等离子体物理研究所）

就这个实验结果而言完全不意外，等体所和 EAST 在这几年里已经展现了极强的进行稳态放电的能力。现在放眼全球，也就是他们做稳态放电的水平最高，结果最好。以后在 ITER 上进行聚变点火后的稳态放电应该也会需要 EAST 上的这套技术。
关于实验结果能评价的大概也就是这些，后面再科普一下大家关心的问题吧。
1.稳态放电有多重要？
虽然没有写进直接关系到聚变反应能否维持的三重积里，但对聚变发电而言不可或缺。
类比一下现有的火电或是裂变发电，我们希望反应堆核心在进行一个可控且稳定的燃烧，而不是连续放出一堆高能量的脉冲。如果只是单纯地达到了足以令聚变反应自持的三重积劳逊判据，而不能进行稳态放电的话，日后建成的聚变电站就必须在每一次点火时额外消耗掉大量能量以加热等离子体到聚变参数，这对技术尚不成熟，Q值相对低的聚变发电而言将是严重的打击。
因此，如果不能实现稳定，可重复的稳态放电，就几乎不可能将可控聚变投入实际的发电中。
2. 这次放电的参数有多高，1. 2亿度足够实现聚变吗？
这个参数对 EAST 来说非常高，但很遗憾依然无法实现聚变，在 EAST 上也没有实现聚变的可能，这是下一代装置的任务。
聚变等离子体中含有电子与离子，实验中两类粒子的温度需要分别计算。此次实验中实现的 1. 2 亿度是电子温度，而离子温度则会比这个温度低三到四倍。这一方面是因为 EAST 的离子加热手段不足，另一方面，达到接近聚变的离子温度也并不在 EAST 的设计目标内。它的任务就是在 ITER 之前探索相对高参数的稳态运行，而到现在为止，EAST 非常出色地完成了任务。
事实上 EAST 仍然只是一个中型的聚变装置，并没有实现足够高的约束时间所必须的尺度，所以在其中实现聚变是不可能的。但等到 ITER 建成之后，实现聚变点火等级的放电就指日可待了。
3. 可重复性怎么样？
托卡马克上的放电虽然不具有完美的可重复性，但在各项等离子体参数接近时，放电的表现也会是接近的。我们并不能保证每一次放电都会像新闻里的说法那样完美，不过只要通过大量实验发现稳态放电的参数空间，就能实现稳定，可重复的类似放电。
4. 可控聚变距离实现还有多久？
乐观的预期是 ITER 顺利地于 2025 年放电，如果前期地等离子体实验结果较好，那么商业示范聚变电站的建设将会在 2030 年左右被提上日程，大约同一时间，ITER 将会实现稳态，可控的聚变点火。
而若是顺利的话，CFETR 将在2035～2040年建成并投入使用。计划中的CFETR会进行象征性地并网发电，其实际地位接近石岛湾的那个高温气冷堆。此后就会是聚变能源逐步商业化的过程了。
5. ITER 和 CFETR 都是什么，现状如何？
ITER 是一个国际合作的聚变装置，有中国，美国，俄罗斯，欧盟，日本，韩国，印度七个参与方。最初的计划是在 2000 年左右建成，但因为各种原因一拖再拖，直到现在还没有投入使用。
不过最近几年计划逐渐步入正轨，现在的装置已经初具雏形，应该会在 2025 年底投入使用。感兴趣的朋友可以去官网或官方推特关注一下 ITER 的进度
https://www.iter.org/CFETR 则是一个参数比 ITER 略高的装置，属于商业示范堆，计划由我国自主建设。目前仍然处于设计阶段，合肥新建的 CRAFT 可以被理解为其设计中心。
聚变堆主机关键系统综合研究设施现阶段 CFETR 尚未立项，应该是在等 ITER 的实验结果。如果 ITER 的实验结果比较好，那么 CFETR 就会迅速上马，开始建设。而以我国的资源统筹能力，它的建设无疑会比 ITER 快得多。按照李建刚院士的乐观预期，顺利的情况下，CFETR 会在 2040～2045 年开始并网发电。
<hr/>其它聚变相关回答
鱼昆：核聚变的主要难点之一为什么是材料？
鱼昆：核聚变装置怎么承受1亿度的超高温？
鱼昆：为什么实现可控核聚变永远都是「还要五十年」？
鱼昆：如果可控核聚变实现了，那么我们的生活会变成怎么样？

针对该仁兄的问题，简单回答一下：
1.劳逊判据，要求聚变三重积：密度*温度*能量约束时间>某值（不记得了），点火（得失相当）能量增益Q>10，示范堆的话Q>30。目前达到一亿度的是电子温度，而离子温度可能在3000万左右，距离ITER设计的离子温度1.5亿度相差还较远，ITER密度要达到5*10的20左右，而目前EAST是10的19量级。
2.上个世纪的大型托卡马克TFTR已经实现过离子温度3亿度的反应，但是维持不了长时间。除了当时的超导磁体技术不支持长脉冲以外，磁约束等离子体的反常输运也是制约聚变的一大难题。
1982年F.Wagner发现高约束模（H模），将离子的反常损失降低到了新经典水平。半个世纪以来，通过剪切流抑制离子损失的机制已经研究的比较清楚，但是对电子的反常损失仍然束手无策。磁场约束的等离子体必须为准中性，即电子和离子的电荷量基本相当，如果电子都跑光了，离子也不可能通过磁场约束住。从这一点来说，本次长脉冲放电的高电子温度是研究电子反常损失（行话叫电子反常输运）这一老大难问题的绝佳平台。
对于材料方面，无论是超导技术还是耐高温材料的突破都将彻底改变现有的托卡马克技术，然而材料科技的突破嘛。。。以超导技术为例，大型超导托卡马克的磁体主要使用Nb2Sn，NbTi这些已经商业化很成功的材料，而下一代耐强磁场，高强度（磁体在磁场中承受很大的应力）的高温超导体还遥遥无期。
3.ITER的燃烧等离子体将有聚变阿尔法粒子自持加热，现在的主要加热手段射频波和中性束加热都将成为辅助手段。从这一点上说，ITER的运行结果对磁约束聚变是生死攸关的，如果燃烧等离子体的结果不好，真的有可能50年又50年了。
本文撰写仓促，非常不严谨，欢迎大家讨论。

没人邀，也没下飞机，不过人昨天晚上真在现场。
<hr/>在正式开始作答之前先写一点花絮吧。₍₍Ϡ(੭•̀ω•́)੭✧⃛
当天本来都还挺顺利，阶梯上升。半夜几乎接近成功了，就是差一点。之后就比较曲折了，反复的尝试，反复的尝试，总是不理想。半夜接近三点，都快放弃了，能不能就在那天实现谁也没有谱，我已经困得睁不开眼了。觉得放完收拾收拾走了。
然而，成功了!
第一反应是不敢信，跑到总控去看数据(总控龚老师经验丰富，在TS数据出来前就断言这次成功了)。等TS数据出来后，真的是成功了，我就觉得，真，挺突然的，又觉得，确实不容易，唉，熬了太多夜了。
附带一题～新华社拍官宣照的时候，我没戴眼镜，看不清大屏幕上的数据，还在跟师弟借手机拍照看数据哈哈哈。一抬头就开始鼓掌了，然后就站在宋所和龚老师背后了。哈哈哈，你们看下面的链接，两位大佬身后的就是我。当时其实拍了很多张，感觉就几张有我应该，结果出来竟然有我，真可谓是小菜鸡的王牌运气。（不过真正贡献大的还是几位大佬，和很多没有被拍到的在大厅里不停值守的老师们～有些老师甚至一天也不休息的，宋所啥的也是天天来大厅）
新华社分享页新华社报道成就(✓)
<hr/>然后正式回答
先说实验的意义：通过这次实验，离可控核聚变肯定是更近了一步。但是，离实现还是路漫漫的。判定核聚变有一个著名的判据，劳逊判据:简而言之，就是核聚变发电能否实现，主要看等体温度，密度，和能量约束时间三项。现在这次实验，不论是电子温度还是等体约束时间，相对EAST来说都是非常高的，可以说是非常大的进步。当然，也还是不太够的，因为劳逊判据里的温度是指离子温度，而非电子温度。这次实验的101s，也并不是指能量约束时间（感谢丁伯江老师的指正，我还要跟着大老板多学习一个啊）。密度现在也远远不够，在10的19这个量级。所以，意义有，但离实现还远。
<hr/>然后，第二个问题是，我们接下来更进一步，面临的困难有哪些?
理论上和实际上的困难都有，主要是实践上。聚变装置，越大，越有利于反应控制。但是，越大，工程难度也越大。
其次，是磁场，托卡马克采用磁约束，磁场强度是核心关键量，磁场越大，越能约束更好的等体，然后常态稳定的强磁场，仍旧难以获得。
再次，是加热，现在使用的加热方式，有欧姆加热，波加热，中性束加热等方式，都有优点，也都有局限，要更高的等体温度，恐怕还得再研究。
之后，是第一壁，杂质等。第一壁直接面对等体，到目前为止，什么是最好的材料还没有定论。而杂质种类众多，如何除杂难有定论。
最后，还有许多等体内的理论问题，如边界不稳定性，热输运，模式转换等，不一而足，可见还有许多路要走啊，有许多头发要掉啊啊啊啊啊啊
<hr/>第三个问题是，什么时候，能用上核聚变发电。投入值得吗？
肯定是值得的，聚变的意义不是钱可以衡量的，因为钱只是价值的一般等价物，没有国家的生产力作背书，将毫无意义。而核聚变是真正能产生巨大价值的项目，甚至称得上赌国运，现代为何越来越卷，恐怕是因为生产力的提升方式已经用的差不多了，从增量转存量，不得以才卷的，如果有新的增量，就会显著好转，而聚变就是这个巨大的增量。所以，各位，要是期待房价降下来，恐怕还得核聚变。
那么什么时候，核聚变才能实现呢？
50年！


开玩笑啦～很多人都知道永远的50年这个梗，其实随着国家这些年不断加大投入（我！聚变！打钱！）以及更大的装置落地实现，真的有种感觉，永远的50年正在变为49年。反观美帝，曾经的人类之光，现在真是日渐衰落，也许，中国核聚变实现之时，就是世界风云变幻之日呢？
愿不久的将来加快到来～
溜了溜了～
<hr/>写在万赞：
首先知乎小透明突然翻红也真是诚惶诚恐，这波也算是极限蹭热度了。说一下啊，我不是大佬，我只是陪衬，真正的大佬都在算数据，比如我妙辉师兄。更多的大佬都在后面努力。
实际上，为了聚变，真的有太多人付出了很多，很多人长期熬夜值班身体上都不同程度的有了一些疾病。他们的名字太多了，以至于在这里根本写不完。而我也不过是其中非常菜鸡的一份子。如果这次真要感谢谁，那真的是感谢祖国的支持，其次，也是整个等离子体所的努力了。
顺带着，借着这个热度，也为等所，和科岛，打一波广告吧。聚变不是一朝一夕的，这离不开人才，所以，请各位有志向的人才来等所加入我们吧～岛上地理位置是比较偏僻的（真-远离人烟），但是环境是真的优美！超级适合科研，而对待学生的福利待遇也比较好！来岛上读硕士和博士可以实现不跟家里要一分钱，另外毕业率现在来看也较好，我们实验室的好几个同学都现在要毕业了（啊，还挺舍不得的，不过还是顺利毕业的好，羡慕）。岛上的学生不同于其他中科院的学生，大部分是挂靠在中科大名下的，所以第一年会去科大读书（好好珍惜）。总体来讲还是很不错的～所以！
正值毕业季，愿毕业的那些师哥师姐，师弟师妹，前途无量，来日方长。
也为接下来愿意加入我们的同学们说一声，科岛（中科院合肥物质科学研究院）欢迎你，ASIPP（中科院等离子体物理研究所）欢迎你，无尽的核聚变也欢迎你，我们的目标是：星！辰！大！海！
<hr/>等我一会找一波岛上的风景图和视频放给大家看一下



入岛大桥夜景



科岛大门～



2号楼



著名地标？？？



等所雪景（来和我一起打雪仗啊～啊啊啊啊）



这次实验就是在EAST飞碟厅里做出来的，也祝图片里的师哥师姐未来顺利（红衣服博士，蓝衣服硕士，最前面金色的就是宋云涛所长了）



未来的新聚变验证场地

视频找不到啦（๑✧∀✧๑）☀～
另外放心，我很注意，不会泄密的，发的都是已经公开的～