新世界紀(jì)錄！EAST1億度燃燒1000秒背后有哪些黑科技？

圖蟲創(chuàng)意

如果有一天，你可以利用隨手撈起的一杯海水提供的能量，來點(diǎn)亮整個(gè)城市的燈光，你會(huì)不會(huì)覺得這像是神話？但在科學(xué)家眼中，這并不是遙不可及的夢(mèng)想，而是“人造太陽”——可控核聚變技術(shù)為人類描繪的未來。

就在剛剛過去的1月20號(hào)，這樣的未來離我們又更近了一些。中國(guó)的“人造太陽”，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST，在安徽合肥首次完成了1億攝氏度1000秒的“高質(zhì)量燃燒”，創(chuàng)造出了一個(gè)全新的世界紀(jì)錄。

可1億攝氏度、1000秒高質(zhì)量燃燒，到底是一個(gè)怎樣的概念？就好比獲得一團(tuán)相當(dāng)于太陽核心溫度的等離子體，并讓它穩(wěn)定燃燒超過16分鐘，相當(dāng)?shù)牟豢伤甲h。這意味著，我國(guó)向?qū)崿F(xiàn)聚變發(fā)電又邁進(jìn)了一步。

要知道， 維持這團(tuán)等離子體穩(wěn)定燃燒并不容易。它就像一只桀驁的野獸，稍有不慎就會(huì)失控。為了馴服它，科學(xué)家不僅需要“籠子”，還需要“韁繩”。其中的“籠子”就是我們今天的主角——托卡馬克裝置， 它用強(qiáng)大的磁場(chǎng)來把這團(tuán)超高溫等離子體鎖在其中，為原子核創(chuàng)造出能夠“擁抱”在一起的條件，從而可以在聚變后釋放出巨大的能量。而“韁繩”則是專門用來在其中與極端條件對(duì)抗的高約束運(yùn)行模式了，有了它，咱們的人造太陽才會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)光。

那究竟什么是“高約束運(yùn)行模式”呢？簡(jiǎn)單說，它是一種極高效率的等離子體運(yùn)行方式。在這種模式下，等離子體內(nèi)部的能量和粒子能被更有效地約束，維持更高的溫度和密度，為核聚變反應(yīng)提供了更為理想的環(huán)境。你可以想象一個(gè)“裝滿蒸汽的高壓鍋”，高約束模式就是在“鍋蓋”內(nèi)壁形成了一層“蒸汽護(hù)罩”，將能量更好地困在內(nèi)部，防止外泄。然而這個(gè)護(hù)罩并不是天然存在的，它是由科學(xué)家用精密的磁場(chǎng)調(diào)控“設(shè)計(jì)”出來的。它的出現(xiàn)，曾經(jīng)被譽(yù)為托卡馬克研究的一次革命，但要維持它則極為困難。因?yàn)樗媾R至少三大挑戰(zhàn)。

第一個(gè)挑戰(zhàn)，是一種具有破壞性的被稱為邊緣局部模式的現(xiàn)象。它是高約束模式運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的“副產(chǎn)品”。簡(jiǎn)單來說，這是邊界屏障區(qū)域等離子體突然釋放能量和粒子的現(xiàn)象。這些“小火山噴發(fā)”會(huì)對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)壁造成巨大壓力，長(zhǎng)期下來甚至可能損壞設(shè)備。

第二個(gè)挑戰(zhàn)來自耐高溫耐侵蝕材料。反應(yīng)堆內(nèi)壁材料需要經(jīng)受數(shù)千萬攝氏度的熱沖擊，同時(shí)抵抗等離子體粒子的侵蝕。當(dāng)前的材料技術(shù)只能勉強(qiáng)支撐，離理想狀態(tài)還有差距。

第三，這種高約束模式的控制難度相當(dāng)高。磁場(chǎng)需要實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證等離子體在高約束模式下保持穩(wěn)定。一旦調(diào)控失敗，等離子體可能失控，甚至導(dǎo)致裝置停機(jī)。

而1月20號(hào)我國(guó)的EAST之所以能完成1億攝氏度1000秒的高質(zhì)量燃燒，其成功的核心主要就在于對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)的突破：通過優(yōu)化磁場(chǎng)配置，科學(xué)家進(jìn)一步提升了高約束模式的運(yùn)行穩(wěn)定性，成功減少了邊緣局部模式的影響，使得等離子體能夠長(zhǎng)時(shí)間保持高溫燃燒。我國(guó)自主研發(fā)的新型內(nèi)壁材料和冷卻系統(tǒng)，大幅提升了設(shè)備對(duì)極端條件的適應(yīng)能力，延長(zhǎng)了設(shè)備的運(yùn)行壽命。這些技術(shù)突破為未來商用核聚變裝置的研發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，讓理論開始真正走向工程實(shí)踐。也使我國(guó)在核聚變領(lǐng)域確立了全球領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)國(guó)際合作和自主研發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

那這是不是意味著，我們很快就能用上這種無限、清潔、安全的終極能源了。

盡管EAST的成就令人振奮，但它本身并不能實(shí)現(xiàn)核聚變，而要寄希望于下一代的“中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）”來實(shí)現(xiàn)真正意義上的氘氚核聚變，未來核聚變的商業(yè)化依然面臨巨大挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的是能量增益問題——目前實(shí)驗(yàn)裝置的能量輸入遠(yuǎn)大于輸出。而要實(shí)現(xiàn)商用核聚變，我們必須讓裝置“自給自足”并產(chǎn)生盈余才行。其次，建設(shè)和運(yùn)行核聚變裝置的成本極高，而商業(yè)化則必須要找到降低成本的途徑。最后是長(zhǎng)期穩(wěn)定性，EAST的1000秒是個(gè)巨大的突破，但它也就是1000秒而已呀。作為商業(yè)發(fā)電裝置，它必須要日復(fù)一日穩(wěn)定的運(yùn)行才能創(chuàng)造價(jià)值。所以可以看出，這之間的鴻溝，仍然巨大。

樂觀估計(jì)，核聚變商業(yè)化可能還是需要20到30年。

興奮過后，好像可控核聚變“永遠(yuǎn)再等30年”的魔咒還是沒有解開嘛。但不用失望，我們可以肯定的是，每一次實(shí)驗(yàn)的成功都在加速這一進(jìn)程。EAST的這次世界紀(jì)錄，不僅僅是一次技術(shù)的突破，更是人類能源夢(mèng)想的縮影。從實(shí)驗(yàn)室的“一瞬高溫”到“長(zhǎng)時(shí)間燃燒”，每一步都在縮短核聚變能源走向現(xiàn)實(shí)的距離。未來，當(dāng)核聚變真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，當(dāng)我們迎來一個(gè)清潔、無憂的全新能源時(shí)代。到那時(shí)，EAST的每一秒燃燒，都會(huì)成為歷史書上的光輝注腳。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：火箭叔 科普作者

審核：羅會(huì)仟 中科院物理所 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)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