【導語】2025年1月20日，中國科學家在安徽合肥科學島上取得了重大突破，首次將上億度的等離子體火焰在磁場中禁錮長達1066秒，這一壯舉標誌著人類距離點亮“人造太陽”的夢想從未如此接近。核聚變，這一太陽普照大地50億年的能量來源，其威力巨大，1克物質釋放的能量相當於8噸油燃燒。然而，在地球上複製太陽絕非易事，需要克服極端高溫高壓等重重困(kùn)難(nán)。中(zhōng)國(guó)的(de)EAST裝置，作為世界上最先進的核聚變實驗裝置之一，采用全超導、非圓截麵和主動冷卻等技術，成功實現了這一曆史性的突破。這一成就不僅是科學上的勝利，更是人類邁向聚變能源時代的重要一步。

2025年1月20日，安徽合肥科學島上，中國科學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，人類距離點亮“人造太陽”的夢想從未如此接近。

如果告訴你，1克物質可以產生相當8噸油燃燒的能量，你會相信嗎？這就是核聚變的真實威力。太陽普照大地50億年，其能量來源於核心處一刻不停的核聚變反應。當兩個氫原子核在極端高溫高壓下聚合形成氦原子時，部分質量會轉化為巨大能量。1克氫聚變釋放的能量相當於燃燒8噸油，而海水中每升含有30毫克可作聚變燃料的氘，完全釋放的能量相當於340升油之多。

然而在地球上複製太陽絕非易事，糖心免费视频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1500萬攝氏度，壓力達到地球大氣壓的3000億倍。在這種極端環境下，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，即便糖心免费视频挖到地心，也無法產生足以引發核聚變的壓力。更何況，地球內部溫度最高也隻有6000攝氏度左右，遠遠達不到聚變所需的條件。由於溫度和壓力在聚變反應中可以相互補償，要想在地球上實現聚變，糖心免费视频需要超過1億攝氏度的溫度。溫度越高，原子核的運動速度越快，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，自由遊離。這時物質進入了第四態，也就是等離子體態。它不同於糖心免费视频熟悉的固體、液體和氣體，而是由帶正電的離子和帶負電的電子組成的電離氣體。閃電、霓虹燈、太陽風，這些都是等離子體的表現形式。在1億度的極端高溫下，所有物質都會變成等離子體。

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。

於是科學家們利用了磁場。

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動，被捆綁在磁力線上。如果能夠設計磁場的形狀，就可以把等離子體約束在特定的空間內。

托卡馬克，這個來自俄語"帶磁線圈的環形腔"的名字，正是這種磁約束裝置的代表。它的基本結構像一個巨大的甜甜圈，但內部的磁場設(shè)計(jì)卻(què)極(jí)其(qí)複(fù)雜(zá)。

首先是縱場線圈，它們像項鏈一樣環繞在甜甜圈外麵，產生沿著環形方向的磁場。但僅有縱向磁場還不夠，因為帶電粒子會沿著磁力線漂移到器壁上。於是科學家又在環形器中心穿過一個變壓器，在等離子體中感應出環向電流。這個電流會產生極向磁場，與縱向磁場疊加形成螺旋形磁力線。

為了讓等離子體穩定懸浮在真空室中央，托卡馬克還需要極向場線(xiàn)圈(quān)來(lái)調節磁場形狀，需要反饋控製係統來實時監測和調整等離子體位置，需要真空係統來防止雜質汙染，需要加熱係統來維持高溫。

中國的EAST裝置正是這樣一個磁瓶子，但它有三個獨特之處：全超導、非圓截麵和主動冷卻內部結構。全超導意味著磁場可以長時間穩定運行；非圓截麵讓等離子體更加穩定；主動冷卻則確保裝置不會過熱。這三大技術的結合，使EAST成為世界上最先進的核聚變實驗裝置之一。

傳統托卡馬克使用的是常規銅線圈，就像家裏的電線一樣，通電時會發熱。要產生強大的磁場，需要巨大的電流，這意味著驚人的能量消耗。而且銅線圈發熱後電阻會增大，磁場強度受限，隻能間歇運行，通常工作幾十秒就必須停下來冷卻。

EAST采用了全超導技術。超導材料在極低溫度下（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生任何損耗。EAST的超導線圈由铌鈦合金製成，被液氦冷卻到接近絕對零度。一旦勵磁，磁場可以穩定維持數小時、數天甚至更長時間，為實現穩態運行奠定了基礎。

如果切開一個傳統托卡馬克的橫截麵，會看到等離子體呈圓形。但EAST采用了D形截麵設計，看起來像一個豎立的字母D。D形截麵可以顯著提高等離子體的穩定性。在圓形截麵中，等離子體容易發生各種不穩定性，像圓形的肥皂泡容易變形破裂。而D形截麵通過改變磁場位形，增強了對等離子體的約束能力。更重要的是，這種設計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，這對未來的商業聚變堆至關重要。

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秒運行中，麵向等離子體的第一壁要承受極高的熱負荷。EAST采用了先進的主動水冷係統，第一壁由特殊的鎢銅複合材料製成，內部布滿了細密的冷卻水管。冷卻水以每秒數米的速度流過，帶走熱量。

在核聚變研究的曆史上，1982年是一個轉折點。德國ASDEX裝置的科學家們在一次實驗中意外發現，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，那麽H模就是超級真空保溫瓶。在H模狀態下，等離子體邊緣會自發形成一道輸運壘，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。這個發現徹底改變了托卡馬克的設計路線，成為現代所有大型裝置追求的標準運行模式。

如果說EAST是一個奇跡，那最神奇的莫過於它內部的冰火兩重天。在這個直徑8米的鋼鐵機器內部，1億攝氏度的等離子體火球與零下269攝氏度的超導線圈僅僅相距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係統。液氦冷卻的銅製熱屏像一道道盾牌，層層阻隔熱輻射；真空絕緣層如同隔熱毯，冷卻管路係統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的巔峰之作。

要點燃核聚變之火，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采用了兩種互補的加熱技術。第一把劍是離子回旋共振加熱（ICRF）。這項技術利用了物理學中的共振原理，當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的離子回旋加熱係統可以產生數兆瓦的功率，將能量精準注入等離子體核心，就像用微波爐定點加熱食物的中心。

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

兩種加熱方式相輔相成：離子回旋波負責核心加熱，提供高溫；低雜波維持電流分布，保證穩定。在1066秒的實驗中，正是這種雙劍合璧的策略，讓等離子體既達到了聚變所需的高溫，又保持了長時間的穩定運行。

1066秒，不僅僅是一個數字，它是人類邁向聚變能源時代的堅實腳印。

站在2025年的今天回望，從1950年代蘇聯科學家提出托卡馬克概念，到中國EAST實現千秒突破，人類用了70多年時間。EAST裝置自2006年建成運行以來，等離子體運行次數超過15萬次，這條路走得很長，但每一步都在加速。

參考文獻

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本文為·創作培育計劃扶持作品

出品丨中國科協科普部

監製丨中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨蔡文垂 中國科學院大學博士研究生

審核丨梁忠偉 廣州大學機電學院 副院長