中國“人造太陽”挺進燃燒實驗，意味著什麽?

中國“人造太陽”又有新突破。

3月28日下午，中核集團發布官方消息稱，新一代人造太陽“中國環流三號”(HL-3)實驗取得突破，國內首次實現原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度。

“我們的實驗實現了‘雙億度’，綜合參數也大幅躍升，標誌著我國的核聚變研究挺進燃燒實驗。”據央視新聞報道，中核集團“中國環流三號”總設計師鍾武律稱。

上述消息宣布後，A股可控核聚變板塊拉升。截至當日收盤，合鍛智能(603011.SH)、雪人股份(002639.SZ)漲停，弘訊科技(603015.SH)漲5.61%、國光電氣(688776.SH)漲3.65%，中國核建(601611.SH)漲2.38%。

新一代人造太陽“中國環流三號”(HL-3)，圖片來源：中核集團

“所謂進入燃燒實驗，就是達到了1億度的門檻。但目前不清楚HL-3是同時將電子和離子加熱至億度，還是單獨實現。”一位國內聚變行業人士對界麵新聞表示，如果是同一時刻達到億度，將是非常大的實驗突破。

該人士對界麵新聞表示，電子和離子溫度存在差異，加熱的方式也不同，國內尚沒有能同時將兩者加熱到億度以上的裝置。

核聚變是輕原子核結合成較重原子核並放出巨大能量的過程。由於聚變原材料資源相對豐富，且無汙染排放，因此可控核聚變被一直認為是人類解決能源問題的重要出路，視為“終極能源”。

在各類核聚變技術路線中，托克馬克被譽為“人造太陽”，其裝置的中央是一個環形的真空室，外麵纏繞著線圈，像一個甜甜圈，在通電時內部會產生巨大的螺旋形磁場，將其中的等離子體(Plasma)加熱到很高的溫度。

等離子體是指在高溫下，電子脫離原子核形成自由電子和離子的物質狀態。

“中國環流三號”是中國規模最大、參數最高的先進托卡馬克裝置，由中核集團核工業西南物理研究院自主設計、建造，其線圈係統均采用銅導體水冷線圈繞製而成。

2022年10月，“中國環流三號”等離子體電流突破100萬安培，並於2023年8月首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。

中核集團表示，“中國環流三號”實驗綜合參數聚變三乘積實現了大幅躍升。

聚變三乘積(等離子體溫度、密度和能量約束時間的乘積)是衡量聚變效果的參數。學術界認為，該數值達到10的22次方時，聚變反應輸出的功率才能大於等於為驅動這一反應而輸入的功率，達到點火條件(Q>1)。

由於地球上難以形成太陽內部的壓強，聚變裝置需要將等離子體溫度加熱至1億攝氏度以上，並維持足夠長的時間才可能觸發聚變反應。

點火成功也意味著“燒”聚變原料“爐子”被點著，等離子體進入自持燃燒狀態，即不需要外部額外的能量輸入，僅通過內部加熱就能維持極高的溫度。

據上述國內聚變行業人士介紹，中國位於安徽合肥的全超導托卡馬克核聚變(EAST)實驗裝置已多次實現超億度的等離子體運行，但並非電子和原子核同時達到億度。

該裝置由中科院合肥物質科學研究院自主研製，於2006年9月28日建成，並首次等離子體放電成功，至今等離子體運行次數超過15萬次。

2021年5月，EAST成功實現可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行。當年12月，該裝置將電子溫度近7000萬攝氏度的長脈衝高參數等離子體維持了1056秒。

該人士同時指出，位於英國的歐洲聯合環形裝置(JET)、日本和歐盟共同建設的大型核聚變實驗裝置JT-60SA 等裝置已實現同時將電子和離子加熱至億度。

“中國環流三號”的突破，是可控核聚變走向應用核心環節的體現，但並不意味著將很快實現聚變反應。

今年2月28日，全國政協委員、中核集團聚變領域首席科學家段旭如在兩會代表委員見麵會上表示，“中國環流三號”仍處於實驗研究階段，目標是驗證聚變堆物理與工程相關技術的可行性，還不是直接發電。

段旭如指出，該裝置的核心任務是實現“聚變點火”，按照中國核能發展戰略，其應用預計在本世紀中葉(約2050年前後)實現，預計2045年左右進入示範階段，有望在2050年前後商業化發電。

不過，“中國環流三號”最新的實驗，創造了中國聚變研究多項新紀錄和成果。

“我們自主研發的加熱、控製與診斷等設備與係統首次投入運行，相關技術指標達到了國際前列，創造了我國核聚變研究多項新紀錄。”鍾武律說。

其中，自主研製的高功率微波回旋管成功投入運行，最高注入功率達2.5MW，掌握了穩定獲得電子內部輸運壘的控製技術，實現電子溫度1.6億度。

此外，建成並投運2套具有完全自主知識產權的高功率中性束注入加熱係統，單條束線最大功率達7兆瓦，躋身國際第一梯隊。該係統是提升原子核溫度的核心設備。

核工業西南物理研究院也首次提出並實現了提高芯部能量約束的新方法，掌握了提升原子核溫度的運行策略。根據芯部能量約束調控方法，成功抑製了製約原子核溫度提升的芯部磁流體不穩定性，攻克了電流剖麵及密度剖麵控製等技術難題，在國內首次實現原子核溫度超過1億度的可重複放電。