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

但目前的人造太陽都有一個共同的缺點，不能長時間穩(wěn)定地運行。那么韓國的KSTAR，歐洲的JET，中國的EAST最長運行時間分別是多少呢？

人造太陽內部的等離子體示意圖

48秒，韓國的聚變耐力賽

韓國的KSTAR（韓國超導托卡馬克先進研究）這項目啟動那會兒，也是命運多舛。

1995年啟動，結果碰上亞洲金融風暴，韓國經濟一落千丈，項目進度也跟著慢了下來。

直到2007年9月14日才完成了主體建設。

2008年6月，KSTAR首次產生了等離子體。

KSTAR是世界上頭一批采用全超導磁體的托卡馬克裝置。

超導磁體能產生強大的磁場，把上億度高溫的等離子體牢牢地約束住，讓它懸浮在空中，防止機器燒穿。

KSTAR的外觀

KSTAR的目標是研究長時間、高溫等離子體的約束技術，給國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目當個探路先鋒，積累經驗。

這些年來KSTAR也是不斷刷新著自己的記錄。

2016年，KSTAR首次實現了在5000萬℃下維持70秒。

2023年KSTAR做了一次大升級，把原來的碳基分流器換成了鎢材料。

這鎢材料的獨特之處在于，熔點高、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。

而且鎢的原子序數比較高，如果跑進等離子體里面，容易導致能量損失，影響等離子體的維持。

除了硬件升級，還有磁場優(yōu)化。

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

2024年4月，KSTAR又有了新進展，宣布在1億℃下維持了48秒。

KSTAR 托卡馬克真空容器內的工人

太陽核心的溫度也才1500萬℃左右，KSTAR的這個溫度，已經是太陽核心的六倍多了。

KSTAR的目標是在2026年突破300秒。

時間越長，對等離子體的控制就越難，挑戰(zhàn)也就越大。

想要長時間維持高溫等離子體，需要非常精準地控制等離子體的形狀、密度、溫度等等參數。

任何一個參數出了問題，都可能導致等離子體不穩(wěn)定，甚至直接爆炸——放電。

參考信息：
1、維基百科.《KSTAR》
2、韓國核融合能源研究院官網.《KSTAR 已準備好長時間升溫》

KSTAR 反應堆的新型鎢部件呈 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JET坐落在英國卡拉姆，由Culham Centre for Fusion Energy運營，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最初的設計目標，是為了研究在接近商業(yè)聚變電站的條件下，聚變反應會是什么樣的。

JET在1983年建成，同年6月25日產生第一個等離子體，一直是全球核聚變研究的扛把子，長期主導托卡馬克技術標準。

它是目前唯一一個可以用氘-氚燃料混合物的實驗裝置。

歐洲JET

這個混合物，就是未來商業(yè)聚變電站的“指定燃料”。

為啥這么說呢？

因為只有氘-氚混合物，才能在相對較低的溫度下，實現高效的聚變反應。

這些年來，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，在一個完全使用氘-氚燃料的實驗里，JET創(chuàng)造了16.1兆瓦的世界聚變功率紀錄。

JET 等離子體脈沖的三個階段產生了 69 兆焦耳的聚變能量

2009-2010年，JET安裝了一種新的鈹/鎢材料，來做等離子體的“外墻”，相當于給ITER提前測試了一下材料。

2021年，JET在一個氘-氚實驗里，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，期間產生了59兆焦耳的能量。

而就在2023年底，在它最后的實驗里，JET再次刷新紀錄，產生了69.26兆焦耳的能量，維持了5.2秒。

這些數字可能有點抽象，咱們換個說法。

ITER 托卡馬克反應堆坑內一瞥

JET最后一次實驗釋放的能量，相當于燒掉兩公斤煤產生的能量，而它僅僅用了0.2毫克的燃料。

這個成績，是美國國家點火裝置（NIF）2023年10月實驗能量釋放的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，你輸入1份能量，它只能輸出0.33份能量。

要實現真正的商業(yè)化聚變，Q值必須大于1，甚至更高。

JET的另一個局限是它的脈沖持續(xù)時間。

1977 年的 JET 項目團隊

JET的目標是為ITER鋪路，而ITER的目標是實現更長時間的高功率運行，為未來的商業(yè)聚變電站DEMO做準備。

2023年12月，JET完成了它的最后一次等離子體實驗，正式退役。

JET的退役，并不意味著它的價值就此終結。

相反，它將進入一個新的階段——拆除和再利用（JDR）計劃，這個計劃預計會持續(xù)到2040年左右。

ITER預計在2034年產生第一個等離子體，2036年達到全磁力，而氘-氚運行預計要到2039年才能開始。

參考信息：
1、英國卡勒姆核聚變能源中心.《JET是世界上最大、最先進的托卡馬克》
2、國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目官網.《ITER（拉丁語“道路”）是當今世界上最雄心勃勃的能源項目之一》

2023 年 12 月最后一次等離子體實驗當天的JET控制室

1066秒，中國EAST的千秒級突破

1998年，東方超環(huán)（EAST）這個項目得到了國家的大力支持，正式立項。

2003年開始動工建設，2006年9月26日，迎來了首次成功放電，持續(xù)了近三秒。

這臺主半徑為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度的超導線圈）、超高真空（大氣壓的千億分之一）、超強磁場（地磁場的近7萬倍）、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%的關鍵設備和儀器，都是由咱們中國科學家和工程技術人員自主設計的，整個裝置的國產化率超過了95%。

東方超環(huán)（EAST）

正在建設中的“夸父”裝置預計將實現100%的國產化率。

這些年來，東方超環(huán)也是不負眾望，一次又一次地刷新著世界紀錄。

2016年首次突破了5000萬℃維持102秒的難關。

同年11月，東方超環(huán)獲得了超過60秒的完全非感應電流驅動（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體，成為世界首個實現穩(wěn)態(tài)高約束模運行持續(xù)時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

2021年5月，成功實現了可重復的1.2億℃101秒和1.6億℃20秒等離子體運行。

研究人員在EAST控制中心工作

2021年12月，實現了1056秒的長脈沖高參數等離子體運行，這是個歷史性的突破。

2023年4月，在經歷了十二萬多次實驗后，成功實現了穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒，刷新了2017年自己創(chuàng)造的101秒世界紀錄。

而就在今年的1月20號，EAST再次震驚了世界——首次實現了1億攝氏度1066秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運行。

這個千秒量級的突破，意義可非同小可。

它意味著人類第一次在實驗裝置上模擬出了未來聚變堆運行所需要的條件，對于未來聚變堆的建設和運行，具有極其重要的指導意義。

工作人員對EAST進行升級

因為運行的時間越長，約束等離子體的難度也就越高，而穩(wěn)定且長時間的運行，正是核聚變實現商業(yè)化的關鍵基礎。

東方超環(huán)的成就，不僅僅在于它創(chuàng)造的時間紀錄，更在于它為咱們中國的聚變工程實驗堆（CFETR）鋪平了道路。

這CFETR是連接國際熱核聚變實驗堆（ITER）和未來商業(yè)示范堆（DEMO）的關鍵一環(huán)。

目標是在2030年代實現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.《實驗先進超導托卡馬克》
2、中國科學院官網.《【人民日報海外版】大科學城里的“逐日”故事》