所謂的人造太陽(yáng)就是在地球上打造一個(gè)“迷你太陽(yáng)”。通過(guò)模擬太陽(yáng)核心的極端高溫高壓環(huán)境實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，咱們研究它是為了獲取像太陽(yáng)那樣源源不斷、清潔安全的能源，解決人類未來(lái)的能源危機(jī)。

但目前的人造太陽(yáng)都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地運(yùn)行。那么韓國(guó)的KSTAR，歐洲的JET，中國(guó)的EAST最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間分別是多少呢？

人造太陽(yáng)內(nèi)部的等離子體示意圖

48秒，韓國(guó)的聚變耐力賽

韓國(guó)的KSTAR（韓國(guó)超導(dǎo)托卡馬克先進(jìn)研究）這項(xiàng)目啟動(dòng)那會(huì)兒，也是命運(yùn)多舛。

1995年啟動(dòng)，結(jié)果碰上亞洲金融風(fēng)暴，韓國(guó)經(jīng)濟(jì)一落千丈，項(xiàng)目進(jìn)度也跟著慢了下來(lái)。

直到2007年9月14日才完成了主體建設(shè)。

2008年6月，KSTAR首次產(chǎn)生了等離子體。

KSTAR是世界上頭一批采用全超導(dǎo)磁體的托卡馬克裝置。

超導(dǎo)磁體能產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，把上億度高溫的等離子體牢牢地約束住，讓它懸浮在空中，防止機(jī)器燒穿。

KSTAR的外觀

KSTAR的目標(biāo)是研究長(zhǎng)時(shí)間、高溫等離子體的約束技術(shù)，給國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目當(dāng)個(gè)探路先鋒，積累經(jīng)驗(yàn)。

這些年來(lái)KSTAR也是不斷刷新著自己的記錄。

2016年，KSTAR首次實(shí)現(xiàn)了在5000萬(wàn)℃下維持70秒。

2023年KSTAR做了一次大升級(jí)，把原來(lái)的碳基分流器換成了鎢材料。

這鎢材料的獨(dú)特之處在于，熔點(diǎn)高、耐高溫，而且還能減少燃料的吸收，有助于提升等離子體的穩(wěn)定性。

但鎢的缺點(diǎn)也挺突出。

鎢比較脆，容易破裂，就像玻璃一樣，一碰就碎。

而且鎢的原子序數(shù)比較高，如果跑進(jìn)等離子體里面，容易導(dǎo)致能量損失，影響等離子體的維持。

除了硬件升級(jí)，還有磁場(chǎng)優(yōu)化。

他們跟美國(guó)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室聯(lián)手，解決了磁線圈的細(xì)微缺陷，成功地把“高約束模式”（H-mode）延長(zhǎng)到了102秒。

2024年4月，KSTAR又有了新進(jìn)展，宣布在1億℃下維持了48秒。

KSTAR 托卡馬克真空容器內(nèi)的工人

太陽(yáng)核心的溫度也才1500萬(wàn)℃左右，KSTAR的這個(gè)溫度，已經(jīng)是太陽(yáng)核心的六倍多了。

KSTAR的目標(biāo)是在2026年突破300秒。

時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)等離子體的控制就越難，挑戰(zhàn)也就越大。

想要長(zhǎng)時(shí)間維持高溫等離子體，需要非常精準(zhǔn)地控制等離子體的形狀、密度、溫度等等參數(shù)。

任何一個(gè)參數(shù)出了問(wèn)題，都可能導(dǎo)致等離子體不穩(wěn)定，甚至直接爆炸——放電。

參考信息：
1、維基百科.《KSTAR》
2、韓國(guó)核融合能源研究院官網(wǎng).《KSTAR 已準(zhǔn)備好長(zhǎng)時(shí)間升溫》

KSTAR 反應(yīng)堆的新型鎢部件呈 U 形，與之前的直線形碳部件不同

5.2秒，歐洲JET短暫的能量爆發(fā)

歐洲的老牌太陽(yáng)JET坐落在英國(guó)卡拉姆，由Culham Centre for Fusion Energy運(yùn)營(yíng)，已有40多年歷史。

2023年12月18日，完成第105929次脈沖后就光榮退役了。

JET最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是為了研究在接近商業(yè)聚變電站的條件下，聚變反應(yīng)會(huì)是什么樣的。

JET在1983年建成，同年6月25日產(chǎn)生第一個(gè)等離子體，一直是全球核聚變研究的扛把子，長(zhǎng)期主導(dǎo)托卡馬克技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

它是目前唯一一個(gè)可以用氘-氚燃料混合物的實(shí)驗(yàn)裝置。

歐洲JET

這個(gè)混合物，就是未來(lái)商業(yè)聚變電站的“指定燃料”。

為啥這么說(shuō)呢？

因?yàn)橹挥须?氚混合物，才能在相對(duì)較低的溫度下，實(shí)現(xiàn)高效的聚變反應(yīng)。

這些年來(lái)，JET的成就也是有目共睹。

1991年，它第一次嘗試加入了少量的氚。

1997年，在一個(gè)完全使用氘-氚燃料的實(shí)驗(yàn)里，JET創(chuàng)造了16.1兆瓦的世界聚變功率紀(jì)錄。

JET 等離子體脈沖的三個(gè)階段產(chǎn)生了 69 兆焦耳的聚變能量

2009-2010年，JET安裝了一種新的鈹/鎢材料，來(lái)做等離子體的“外墻”，相當(dāng)于給ITER提前測(cè)試了一下材料。

2021年，JET在一個(gè)氘-氚實(shí)驗(yàn)里，將氫同位素氣體加熱到1.5億攝氏度并穩(wěn)定維持了5秒，期間產(chǎn)生了59兆焦耳的能量。

而就在2023年底，在它最后的實(shí)驗(yàn)里，JET再次刷新紀(jì)錄，產(chǎn)生了69.26兆焦耳的能量，維持了5.2秒。

這些數(shù)字可能有點(diǎn)抽象，咱們換個(gè)說(shuō)法。

ITER 托卡馬克反應(yīng)堆坑內(nèi)一瞥

JET最后一次實(shí)驗(yàn)釋放的能量，相當(dāng)于燒掉兩公斤煤產(chǎn)生的能量，而它僅僅用了0.2毫克的燃料。

這個(gè)成績(jī)，是美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）2023年10月實(shí)驗(yàn)?zāi)芰酷尫诺?strong>20倍。

但JET也有自己的局限性。

比如它的能量增益因子（Q值）大約是0.33，也就是說(shuō)，你輸入1份能量，它只能輸出0.33份能量。

要實(shí)現(xiàn)真正的商業(yè)化聚變，Q值必須大于1，甚至更高。

JET的另一個(gè)局限是它的脈沖持續(xù)時(shí)間。

1977 年的 JET 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

JET的目標(biāo)是為ITER鋪路，而ITER的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的高功率運(yùn)行，為未來(lái)的商業(yè)聚變電站DEMO做準(zhǔn)備。

2023年12月，JET完成了它的最后一次等離子體實(shí)驗(yàn)，正式退役。

JET的退役，并不意味著它的價(jià)值就此終結(jié)。

相反，它將進(jìn)入一個(gè)新的階段——拆除和再利用（JDR）計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃預(yù)計(jì)會(huì)持續(xù)到2040年左右。

ITER預(yù)計(jì)在2034年產(chǎn)生第一個(gè)等離子體，2036年達(dá)到全磁力，而氘-氚運(yùn)行預(yù)計(jì)要到2039年才能開(kāi)始。

參考信息：
1、英國(guó)卡勒姆核聚變能源中心.《JET是世界上最大、最先進(jìn)的托卡馬克》
2、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目官網(wǎng).《ITER（拉丁語(yǔ)“道路”）是當(dāng)今世界上最雄心勃勃的能源項(xiàng)目之一》

2023 年 12 月最后一次等離子體實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的JET控制室

1066秒，中國(guó)EAST的千秒級(jí)突破

1998年，東方超環(huán)（EAST）這個(gè)項(xiàng)目得到了國(guó)家的大力支持，正式立項(xiàng)。

2003年開(kāi)始動(dòng)工建設(shè)，2006年9月26日，迎來(lái)了首次成功放電，持續(xù)了近三秒。

這臺(tái)主半徑為1.85米，次半徑為0.45米的鋼鐵巨獸，集成了超高溫（億攝氏度的等離子體）、超低溫（零下269度的超導(dǎo)線圈）、超高真空（大氣壓的千億分之一）、超強(qiáng)磁場(chǎng)（地磁場(chǎng)的近7萬(wàn)倍）、超大電流（普通插線盒的千倍以上）這五大極限工況。

東方超環(huán)70%的關(guān)鍵設(shè)備和儀器，都是由咱們中國(guó)科學(xué)家和工程技術(shù)人員自主設(shè)計(jì)的，整個(gè)裝置的國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)了95%。

東方超環(huán)（EAST）

正在建設(shè)中的“夸父”裝置預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)100%的國(guó)產(chǎn)化率。

這些年來(lái)，東方超環(huán)也是不負(fù)眾望，一次又一次地刷新著世界紀(jì)錄。

2016年首次突破了5000萬(wàn)℃維持102秒的難關(guān)。

同年11月，東方超環(huán)獲得了超過(guò)60秒的完全非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體，成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到分鐘量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

2021年5月，成功實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億℃101秒和1.6億℃20秒等離子體運(yùn)行。

研究人員在EAST控制中心工作

2021年12月，實(shí)現(xiàn)了1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，這是個(gè)歷史性的突破。

2023年4月，在經(jīng)歷了十二萬(wàn)多次實(shí)驗(yàn)后，成功實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒，刷新了2017年自己創(chuàng)造的101秒世界紀(jì)錄。

而就在今年的1月20號(hào)，EAST再次震驚了世界——首次實(shí)現(xiàn)了1億攝氏度1066秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行。

這個(gè)千秒量級(jí)的突破，意義可非同小可。

它意味著人類第一次在實(shí)驗(yàn)裝置上模擬出了未來(lái)聚變堆運(yùn)行所需要的條件，對(duì)于未來(lái)聚變堆的建設(shè)和運(yùn)行，具有極其重要的指導(dǎo)意義。

工作人員對(duì)EAST進(jìn)行升級(jí)

因?yàn)檫\(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，約束等離子體的難度也就越高，而穩(wěn)定且長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，正是核聚變實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

東方超環(huán)的成就，不僅僅在于它創(chuàng)造的時(shí)間紀(jì)錄，更在于它為咱們中國(guó)的聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）鋪平了道路。

這CFETR是連接國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）和未來(lái)商業(yè)示范堆（DEMO）的關(guān)鍵一環(huán)。

目標(biāo)是在2030年代實(shí)現(xiàn)100-200兆瓦的凈功率輸出，到2040年代將凈功率提升到1吉瓦（1000兆瓦）。

參考信息：
1、維基百科.《實(shí)驗(yàn)先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克》
2、中國(guó)科學(xué)院官網(wǎng).《【人民日?qǐng)?bào)海外版】大科學(xué)城里的“逐日”故事》