中国太阳(“中国太阳”稳态运行403秒？我们离商业运行还有多远？)

近日，从中科院合肥物质科学研究院传来喜讯，全超导托卡马克EAST装置成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，这是全球第一次实现超过400秒的高约束模等离子体运行时间，打破了此前的历史记录。

上一次还是才2017年，实现了101秒的稳态H-mode等离子体，这次再创H-mode运行最长时间记录，且足足提高了4倍！

什么是H-mode？

实现核聚变反应需要将氘氚原子核压缩到很小尺度，但由于原子核带正电，必须在极高温下才能获得足够的能量以克服彼此间的库仑势垒。当温度达到1亿摄氏度左右时，氘氚原子核发生聚变反应的截面最大。但没有任何有形容器能对如此高温等离子体加以约束，以EAST为代表的托卡马克装置利用环形螺旋磁场对高温等离子体进行约束，以实现可控核聚变反应。

因此提高等离子体的温度和密度，就是提高聚变反应效率的途径。这个过程很不稳定，我们要让反应持续进行，就需要将这些高温高密度的等离子体约束尽量长的时间，这个时间被称为能量约束时间。

根据劳逊判据（Lawson criterion），只有聚变三乘积大于某个阈值才能产生有效的聚变功率输出。简单的说，等离子体运行有很多模，H模（H-mode）是其中非常高效的一种。因此，ITER将H-mode的能量约束时间定标作为设计反应堆的基础。

这次时间能稳态运行403秒，显然是一次极大的进步。

我们离商业运行还有多远？

核聚变能源是一种清洁、高效、可持续的能源，如果能够实现商业化应用，将对人类社会的能源转型产生深远的影响。

在商业上，实现一个高Q值的核聚变反应是非常重要的，因为只有实现了正的Q值，反应堆才能够自持续运行，产生可持续的能量输出。衡量商业运行有另外一个指标，即Q值。

Q值也是评估等离子体运行状态的重要指标之一。Q值是等离子体能量输出和能量输入的比值，它可以反映等离子体运行的稳定性和可持续性。一般来说，Q值越大，等离子体运行越稳定，能够持续输出更多的能量。

本次试验Q值没有给出，但以往Q值最高的是0.67（日本实现了1.25，但不可复现，且不是主流技术），此外，美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家在使用激光的聚变实验中首次实现了净能量增益：聚变反应后，得到的2.5兆焦耳能量比投入的2.1兆焦耳能量更多，新增约20%能量。该实验室称，“然而，确切的产量仍在确定中，在该过程完成之前发布信息是不准确的。”

然而，即使是1.2这个值距离商业应用仍然还很遥远。目前，一般认为，商业上实现的核聚变反应堆通常需要达到Q值在10左右以上才能够实现自持续运行和可持续的能量输出，有的人认为需要20，甚至30.

显然，要实现这个Q值是非常困难的，需要克服等离子体不稳定、材料耐受性、能量转换效率等方面的诸多挑战。因此，实现高Q值的核聚变反应是一个非常具有挑战性和高风险的任务，需要大量的研究和技术突破。

不管怎么说，可控核聚变是未来解决能源问题最现实的办法。在小说《三体》中，丁仪领导的可控核聚变技术获得突破，配合无处不在的无线能量传输技术，人类获得了几乎无限的能源。让我们持续关注可控核聚变的进展，期待科幻尽快成为现实的一天。