我国“人造太阳”发现新的高能量约束模式

工作人员对全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）进行升级改造。 新华社记者 刘军喜摄

记者从中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所获悉：近期，该所核聚变大科学团队利用有“人造太阳”之称的全超导托卡马克大科学装置（EAST），发现并证明了一种新的高能量约束模式——超级I模（Super I-mode），对国际热核聚变实验堆和未来聚变堆运行具有重要意义。1月7日，国际学术期刊《科学·进展》发表了该研究成果。

目前，实现核聚变反应主要有引力约束、磁约束、激光惯性约束3种方式。太阳因质量大，可通过巨大引力，在极端高温高压的环境下发生引力约束核聚变反应。

而在地球上，实现可控核聚变主要有磁约束核聚变和激光惯性约束核聚变两种方式。激光惯性约束核聚变是采用激光作为驱动器压缩氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等离子体的惯性约束时间内实现核聚变点火燃烧。采用强磁场约束等离子体的方法把核聚变反应物质控制在“磁笼子”里面，就是磁约束核聚变。

从上世纪60年代以来，全世界建造了数百个托卡马克装置。利用不同核聚变实现方式而建设的托卡马克装置，其等离子体运行模式有多种，不同托卡马克装置尺寸、性能不同，能量约束模式也有所区别。其中，磁约束类型托卡马克是目前全球研发投入最大、最接近核聚变点火条件、技术发展最成熟的途径。

近年来我国“人造太阳”EAST装置实验屡获突破，先后于2010年运行1兆安等离子体电流、2018年首次实现1亿摄氏度高温等离子体运行、2021年5月28日实现可重复的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30日实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行。

超级I模是托卡马克装置等离子体运行模式方面的新探索、新发现和新的验证。据了解，该种先进模式大幅度提高了能量约束效率，具有芯部无杂质积累、便于聚变反应生成物排出、维持平稳温度台基等优点，并实现了芯部高约束与边界不稳定性的兼容，保证了长时间尺度上的高性能等离子体运行。这种无需通过外部控制来确保等离子体稳态运行的高能量约束模式，对于未来聚变堆运行具有重要意义。

“如果把核聚变反应比喻成一道闪电，那么我们的主要目的就是把一道道闪电收集在‘磁笼子’里，聚集更高的能量，然后长时间持续地向外稳定输出这些能量，为人类所用。”中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛说，“新发现的这种约束模式好比找到比保温壶保温效果更好的技术手段，我们一直还在探索和研究，为了更好地控制、更高效地约束能量，减少能量消耗，保持长时间稳定运行。”

《科学·进展》审稿人认为，此项研究成果对核聚变研究具有重要意义，在国际聚变研究界是“一个重大进展”。