世界首台全超导托卡马克核聚变实验装置EAST。合肥研究院等离子体所供图

　　“998，999，1000……”2025年1月20日晚，中国科学院合肥物质科学研究院（以下简称合肥研究院）全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）控制大厅瞬间沸腾。EAST俗称“人造太阳”，这次实验实现了1亿摄氏度1066秒高约束模式等离子体运行，创造了“十四五”期间第五次世界纪录。

之前4次刷新的世界纪录是：2021年5月，实现1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行；2021年12月，实现1056秒高参数等离子体运行；2023年4月，实现403秒高约束模式等离子体运行。

每一次世界纪录意味着什么？人类离核聚变发电还有多远？科研人员还需要继续做什么？

1.2亿摄氏度维持101秒，引领国际前沿

万物生长靠太阳。太阳之所以能发光发热，是因为内部的核聚变反应。核聚变能源的原材料在地球上极其丰富，且排放无污染，如果能造一个“太阳”来发电，人类有望实现能源自由。

2006年，合肥研究院团队在世界上率先自主建成EAST，并在当年首次成功实现等离子体放电3秒。

为了冲击更高世界纪录参数，2020年，合肥研究院等离子体物理研究所（以下简称合肥研究院等离子体所）准备对EAST进行重大性能提升。

一声来自合肥研究院等离子体所的召唤，让远在法国的郭斌毫不犹豫回国。

“读研期间，我有幸被派往国际热核聚变实验堆（ITER）访问。”郭斌回忆，在法国的6年里，他抓住一切机会学习，积累了大型装置冷却系统的先进设计经验。回国后，他与同事基于EAST的独特需求，对水冷系统进行了优化与创新，最终成功将系统性能提升至原来的3到4倍。

“是所里培养了我。因此，当所里有需要，我必须回来。”已是合肥研究院等离子体所技术中心主任的郭斌表示。

除了水冷系统，研究团队还升级了装置的加热、低温、诊断、真空等系统，全面提升了该装置的性能。

2021年5月28日凌晨，升级版的EAST传出喜讯：正在开展的第16轮物理实验实现可重复1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，创造新的世界纪录。

这一新的纪录，将当时国际上托卡马克实验装置运行的原纪录延长了5倍。

“创造新纪录，进一步证明了核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定了物理和工程基础。”合肥研究院副院长、等离子体所所长宋云涛说。

同年12月30日夜，EAST首次突破千秒大关——实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行，创造世界上托卡马克装置高温等离子体的最长时间运行纪录。

403秒高约束模式等离子体运行，验证可行性

可控核聚变研究的关键在于，第一，尽可能提高等离子体的温度和密度，以提高聚变反应效率；第二，将高温、高密度等离子体约束在有限空间内持续足够长时间，以减缓能量流失，从而进一步提高聚变反应效率。

德国物理学家弗里德里希·瓦格纳1982年最早发现一种高约束运行模式。在这种模式下，高功率加热的能量约束时间可达低约束模式的两倍。“当时，这个消息传到美国，甚至有人激动得跳上了桌子。这就好似给一台发动机加上了涡轮增压，在不改变装置硬件的条件下，实现了更大的能量输出。”合肥研究院等离子体所副研究员王腾打了个比喻。

为实现高约束模式目标，EAST团队发扬“甘于奉献，团结协作，锐意进取，争创一流”的精神，集中精力攻关，解决了长时间尺度下的等离子体位形约束、高功率射频波加热与电流驱动、等离子体与壁相互作用等一系列前沿物理和技术集成问题。

刚入职不到一个月就赶上这样的大兵团作战，“90后”科研人员刘文斌感触很深。

“进所后最大的转变是从小团队进入大团队，从基于兴趣爱好的自由探索转变为以国家需求为导向的有目标的攻关。”刘文斌说，教科书里在实验室做实验就青史留名的故事，不太可能发生在聚变领域，只有依靠众人的力量，才能共同完成一件大事。

2023年4月12日21时，“人造太阳”成功实现403秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了托卡马克装置高约束模式等离子体运行新的世界纪录。4月13日下午，“人造太阳”再次重复了同样参数等离子体运行。

EAST物理实验总负责人龚先祖表示：“403秒高约束模式等离子体运行进一步验证了高约束稳态运行的可行性。同时，对探索未来的聚变堆前沿物理问题，提升核聚变能源经济性、可行性，加快未来实现聚变发电具有重要意义。”

创造“亿度千秒”世界纪录，从基础研究转向工程实践

“亿度千秒”，是核聚变发电的一个“门槛”。而此前，世界上没有任何一个装置能够实现这一目标。

“‘亿度千秒’的难点在于，我们要把一团‘火’，相当于太阳核心温度6到7倍、像火球一样的等离子体运行到上千秒，难度非常大。”龚先祖解释道。

2025年1月20日，EAST控制大厅的大屏幕上，装置内部的红光不停闪烁。随着计时器突破4位数，沉寂的大厅爆发出掌声，现场的科研人员纷纷起立欢呼——EAST终于实现1亿摄氏度1066秒高约束模式等离子体运行。

中国核聚变科学家跨过了核聚变发电的重要“门槛”。

“这是一座非常重要的里程碑，从此将从前沿的基础研究转向工程实践，向聚变能应用迈进了一大步。”宋云涛表示，但核聚变研究就像马拉松比赛一样，不仅要跑得快，还要跑得远。

实验装置、实验堆、工程堆是聚变能商用不可逾越的步骤。实际上，我国早已部署除EAST外的相关科研设施。

就在合肥未来大科学城，名为“夸父”的聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）建设正在如火如荼进行中。这是国家重大科技基础设施，预计于今年底基本建成，为我国的聚变堆建设提供技术支撑和大型研发测试平台。

同在未来大科学城建设中的还有我国下一代“人造太阳”——紧凑型聚变能实验装置（BEST）。该装置是聚变工程研究的关键，意味着核聚变能够由反应本身产生的热量维持，是未来商业化发电的基础。

宋云涛相信，随着国家科技创新不断投入、不断增强，依托装置建设和运行，“演示聚变发电”这一目标一定能早日实现，而“聚变商业电站”的最终梦想，也将在建设和运行聚变工程堆的基础上逐步变为现实。

来源：中国科学报