中国的“人造太阳”在合肥“冉冉升起”,在EAST环形真空室内,控制室里的计时数字越过1000秒,最后停在1066秒。

这就意味着,温度达到1.2亿摄氏度的高约束等离子体连续运行了近18分钟,是此前世界纪录的整整2.6倍。

打开网易新闻 查看精彩图片

1.2亿摄氏度这个温度相当于太阳核心温度的数倍,任何材料直接接触都会迅速汽化。但在中国人手里,这个氢弹爆炸级的稳步却被稳稳关在磁场"笼子"里。

此前,国际聚变研究界把千秒级高质量约束寄托在下一代装置上,但EAST一举跨过这道门槛。

打开网易新闻 查看精彩图片

核聚变的比赛也随之换了题目。过去比谁能把温度推得更高,现在还要看谁能让它稳定运行得更久。

一、把温度烧到1亿摄氏度,只拿到了入场券

核聚变的原理并不难理解。氢原子核在极高温度下高速运动,彼此碰撞并结合,释放出大量能量。

太阳依靠巨大引力压住这些粒子,地球上的装置没有这种条件,只能用强磁场把高温等离子体约束在环形真空室中。

托卡马克装置,就是这只看不见的磁场笼子。

打开网易新闻 查看精彩图片

但是等离子体却并不让科学家们省心,温度、密度或者磁场稍有波动,它就可能发生扰动,能量迅速流失,实验也会中断。

早期聚变实验主要解决温度问题。等离子体被加热到上亿摄氏度后,原子核终于具备了发生聚变反应的条件,可新的麻烦很快出现了。

如果高温只能维持几秒,反应刚开始就结束,后面的发电设备根本来不及工作。实验室可以用几秒钟验证物理原理,电站却不能刚启动就停。

高约束模式就是为了解决这个问题。科研人员调节磁场,尽量减少热量和粒子的流失,让等离子体维持更高的温度和密度。

这有点像烧一锅高压蒸汽。猛火烧开并不难,难的是让压力和温度长期稳定,阀门、锅盖和炉体还不能出问题。

打开网易新闻 查看精彩图片

EAST将1亿摄氏度高约束运行时间拉到1066秒,托卡马克内部的磁场、材料、冷却和控制系统,也跟着接受了近18分钟的连续考验。

二、1066秒背后,三处麻烦一处也不能掉链子

第一处麻烦来自等离子体边缘。

高约束运行时,等离子体边缘会形成一道屏障,把热量和粒子留在内部。但这道屏障积累到一定程度,也会突然向外释放能量,反复冲击装置内壁,这种现象叫边缘局部模式。

单次冲击未必会损坏设备,长期反复出现却会加快内壁材料损耗。聚变装置如果经常停机换部件,维修费用和停机时间都会增加。

第二处麻烦是材料和散热。

上亿摄氏度的等离子体没有直接贴着内壁,但逃逸粒子和热流仍会持续轰击内部结构。内壁材料既要耐高温、耐侵蚀,冷却系统还要及时把热量带走。

散热慢一点,局部部件就可能受损;材料消耗太快,实验也只能停下来检查。

打开网易新闻 查看精彩图片

第三处麻烦是控制。

等离子体状态一直在变化,磁场也必须跟着调整。控制系统要连续读取温度、密度和位置数据,再修正线圈参数。动作稍慢,等离子体便可能偏离原来的轨道,触发保护停机。

EAST优化了磁场配置,减少边缘局部模式的影响,自主研发的内壁材料和冷却系统则负责扛住持续热负荷。

这里没有哪一项可以单独立功。磁场稳了,冷却跟不上不行;材料扛住了,等离子体控制不住也不行。

三、欧美冲击峰值,中国先把耐力赛跑起来

1. 峰值回答能不能点燃,时长回答能不能工作

全世界都在盯着聚变项目,不过欧美的聚变项目更容易因为峰值温度、单次点火和瞬时能量增益受到关注。它们解决的是聚变反应能否发生,以及一次实验能释放多少能量。

但EAST盯着另一道题:等离子体进入高约束状态后,能稳定维持多久。

一台发动机可以在测试台上瞬间冲到极高转速,但想装进发电设备,还得在高负荷下连续运转。峰值决定上限,时长决定它能不能投入工作。

2. 温度录适合看热闹,运行数据要交给下一台机器

聚变实验中最值钱的东西,不只是一组漂亮数字,还有装置运行后留下的数据。

磁场应该怎样调整,边缘扰动出现前有哪些信号,内壁能承受多少次热冲击,冷却系统运行多久需要维护,这些问题很难靠公式一次算清。

EAST每多运行一秒,超导磁体、内壁材料和控制系统就多接受一秒真实考验。实验中出现的温度波动、材料损耗和控制误差,都会进入下一代装置的设计。

1.2亿摄氏度告诉人们它能烧多热,1066秒则告诉工程师它能撑多久。后一个数字离电站更近。

打开网易新闻 查看精彩图片

3. EAST跑完这一棒,CFETR接着往发电方向走

EAST负责把长时间高约束运行做扎实,下一代中国聚变工程实验堆CFETR将继续处理能量增益、燃料循环和工程发电。

这条路线分工很清楚——EAST先把等离子体稳定下来,积累磁场、材料和冷却数据;CFETR再想办法让聚变反应释放更多能量,并把能量转化成持续电力。

当海外项目还在等待下一代装置跨过千秒门槛时,中国已经带着1066秒的实测数据准备下一棒。

四、计时器停在1066秒,电表还隔着三本账

第一本是能量账。

EAST仍要从外部输入大量能量,用来加热等离子体、维持磁场和冷却设备。未来的聚变电站要让反应释放的能量超过整套装置的消耗,剩余部分才能送入电网。

第二本是成本账。

托卡马克内部有超导磁体、真空系统、冷却设备和耐高温材料,每一项都不便宜。设备能运行只是起点,建造费、维护费和部件更换费用能不能降下来,决定聚变电能否进入市场。

第三本是运行账。

1066秒接近18分钟,电站却要连续运行数月甚至更久。每停一次,工程师都要检查内壁、磁体和冷却系统,后面的发电设备也会一起停摆。

从1066秒到居民电表,中间就隔着这些具体问题。下一步要看的,是CFETR能不能把运行时间、能量盈余和发电成本同时算平。

EAST已经把最难控制的那团等离子体留在磁场里近18分钟。EAST的每一秒燃烧,都将成为历史书上闪耀的注脚。

回望这次突破,1.2亿摄氏度的极限温度与1066秒的稳定燃烧,共同把中国核聚变研究推到了世界最前沿的位置。

打开网易新闻 查看精彩图片

这不是一次孤立的实验闪光,而是材料、磁场、控制、冷却等多条技术链条长期积累后的一次集中爆发,背后是无数科研人员日以继夜的默默死磕。

当有一天海水真的点亮城市,人们回望这一天,会明白那束光是从合肥的深夜里悄悄升起的。