人造太陽再升級(jí)！中國(guó)核聚變實(shí)現(xiàn)「雙億度」突破

近日，我國(guó)核聚變領(lǐng)域再獲重大突破。中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院宣布，新一代“人造太陽”裝置——中國(guó)環(huán)流三號(hào)首次實(shí)現(xiàn)了原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度的“雙億度”突破，并大幅提升了綜合參數(shù)（如等離子體電流、能量約束時(shí)間）。這一里程碑式成果標(biāo)志著我國(guó)可控核聚變技術(shù)邁入新階段，正式進(jìn)入“燃燒實(shí)驗(yàn)”階段。

“雙億度”突破

“雙億度”并非簡(jiǎn)單的溫度數(shù)值疊加，而是核聚變研究中的核心指標(biāo)。原子核溫度代表燃料離子的能量狀態(tài)，而電子溫度則決定了等離子體整體的熱力學(xué)平衡。兩者的同步提升，意味著裝置能夠在更接近實(shí)際聚變堆的工況下運(yùn)行。

最新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，裝置的綜合參數(shù)（如等離子體密度、約束時(shí)間和溫度的“聚變?nèi)朔e”）較此前提升數(shù)倍，多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際前列。這一突破標(biāo)志著我國(guó)成為全球首個(gè)在磁約束核聚變裝置中同時(shí)突破兩項(xiàng)億度大關(guān)的國(guó)家，距離實(shí)現(xiàn)“終極清潔能源”目標(biāo)更近一步。

燃燒實(shí)驗(yàn)

所謂“燃燒實(shí)驗(yàn)”，是指等離子體在無需外部加熱的情況下，依靠自身聚變反應(yīng)釋放的能量維持高溫狀態(tài)。這一階段是驗(yàn)證可控核聚變可行性的核心環(huán)節(jié)，也是從實(shí)驗(yàn)室走向工程化的必經(jīng)之路。

中國(guó)環(huán)流三號(hào)的最新實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了這一階段的突破。通過自主研發(fā)的加熱、控制與診斷系統(tǒng)，裝置成功創(chuàng)造了多項(xiàng)新紀(jì)錄，涌現(xiàn)一批原創(chuàng)性、前沿性、突破性成果。

實(shí)驗(yàn)中，自主研發(fā)并成功應(yīng)用多型國(guó)際一流的聚變研發(fā)核心裝備，取得國(guó)際領(lǐng)先的硬核成果。

其中，自主研制的高功率微波回旋管成功投入運(yùn)行，最高注入功率達(dá) 2.5 兆瓦，掌握了穩(wěn)定獲得電子內(nèi)部輸運(yùn)壘的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子溫度 1.6 億度；建成并投運(yùn) 2 套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高功率中性束注入加熱系統(tǒng) (提升原子核溫度的核心設(shè)備)，單條束線最大功率達(dá) 7 兆瓦，躋身國(guó)際第一梯隊(duì)；成功突破高壓電源的多項(xiàng)核心技術(shù)，自主研制的高壓電源最高可實(shí)現(xiàn)120kV的直流輸出，精度優(yōu)于1%，總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平等。

森木磊石研制的 PPEC inside 高壓電源系統(tǒng)，基于 PPEC 電源控制芯片開發(fā)，采用 PSM+PWM 混合控制方式，支持 0~120kV 寬范圍電壓調(diào)節(jié)，最高可提供 120kV、6MW 穩(wěn)定可靠的高壓電能，助力我國(guó)核聚變技術(shù)發(fā)展。

此次“雙億度”的突破不僅體現(xiàn)了我國(guó)在核聚變技術(shù)上的自主創(chuàng)新能力，還展現(xiàn)了在多個(gè)領(lǐng)域的“彎道超車”：2024 年首次發(fā)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)磁場(chǎng)位形，使等離子體穩(wěn)定性提升 30%；自主研發(fā)的數(shù)字孿生系統(tǒng)首次投入實(shí)驗(yàn)，為未來聚變堆的實(shí)時(shí)控制提供了 “虛擬預(yù)演” 平臺(tái)；中國(guó)主導(dǎo)制定的多項(xiàng)聚變?cè)\斷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，已被國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）采納。

發(fā)展里程碑

2020年12月，“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”在成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電，標(biāo)志著中國(guó)自主掌握了大型先進(jìn)托卡馬克裝置的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行技術(shù)。

2022年10月，實(shí)現(xiàn)115萬安培等離子體電流運(yùn)行，創(chuàng)造了中國(guó)可控核聚變裝置運(yùn)行的新紀(jì)錄。

2023年8月，首次實(shí)現(xiàn)100萬安培（1兆安）等離子體電流運(yùn)行，成為我國(guó)首個(gè)實(shí)現(xiàn)這一參數(shù)的托卡馬克裝置，標(biāo)志著我國(guó)核聚變研發(fā)能力進(jìn)入國(guó)際第一方陣。

2023年12月，西物院與ITER組織簽署協(xié)議，宣布環(huán)流三號(hào)面向全球開放。

2024年6月，首次實(shí)現(xiàn)新型先進(jìn)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了裝置控制能力，為長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。專家表示，挺進(jìn)燃燒實(shí)驗(yàn)，意味著可控核聚變走向應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)。下一步，科研人員將對(duì)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”裝置進(jìn)行能力升級(jí)，進(jìn)一步獲得可控核聚變反應(yīng)的核心關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

盡管此次突破令人振奮，但可控核聚變的商業(yè)化仍需跨越多重技術(shù)門檻。根據(jù)中國(guó)核聚變發(fā)展路線圖，未來將分“實(shí)驗(yàn)堆—示范堆—商用堆”三步走，預(yù)計(jì)2050年前后建成聚變商用電站。

可控核聚變的終極目標(biāo)是為人類提供取之不盡、用之不竭的清潔能源。隨著技術(shù)突破與成本下降，聚變能有望在21世紀(jì)中葉成為主力能源。當(dāng)前，全球已有40余家聚變能源公司加速布局，中國(guó)企業(yè)如星環(huán)聚能、新奧能源、能量奇點(diǎn)等也在積極探索商業(yè)化路徑。

中國(guó)環(huán)流三號(hào)的“雙億度”突破，不僅是我國(guó)核聚變技術(shù)的重大進(jìn)展，更是全球能源發(fā)展史上的重要里程碑。盡管前路仍有挑戰(zhàn)，但核聚變的未來充滿希望，它將為人類開啟一個(gè)清潔、安全、可持續(xù)的能源新時(shí)代。

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