中国“人造太阳”挺进燃烧实验，意味着什么?

中国“人造太阳”又有新突破。

3月28日下午，中核集团发布官方消息称，新一代人造太阳“中国环流三号”(HL-3)实验取得突破，国内首次实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度。

“我们的实验实现了‘双亿度’，综合参数也大幅跃升，标志着我国的核聚变研究挺进燃烧实验。”据央视新闻报道，中核集团“中国环流三号”总设计师钟武律称。

上述消息宣布后，A股可控核聚变板块拉升。截至当日收盘，合锻智能(603011.SH)、雪人股份(002639.SZ)涨停，弘讯科技(603015.SH)涨5.61%、国光电气(688776.SH)涨3.65%，中国核建(601611.SH)涨2.38%。

新一代人造太阳“中国环流三号”(HL-3)，图片来源：中核集团

“所谓进入燃烧实验，就是达到了1亿度的门槛。但目前不清楚HL-3是同时将电子和离子加热至亿度，还是单独实现。”一位国内聚变行业人士对界面新闻表示，如果是同一时刻达到亿度，将是非常大的实验突破。

该人士对界面新闻表示，电子和离子温度存在差异，加热的方式也不同，国内尚没有能同时将两者加热到亿度以上的装置。

核聚变是轻原子核结合成较重原子核并放出巨大能量的过程。由于聚变原材料资源相对丰富，且无污染排放，因此可控核聚变被一直认为是人类解决能源问题的重要出路，视为“终极能源”。

在各类核聚变技术路线中，托克马克被誉为“人造太阳”，其装置的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈，像一个甜甜圈，在通电时内部会产生巨大的螺旋形磁场，将其中的等离子体(Plasma)加热到很高的温度。

等离子体是指在高温下，电子脱离原子核形成自由电子和离子的物质状态。

“中国环流三号”是中国规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，由中核集团核工业西南物理研究院自主设计、建造，其线圈系统均采用铜导体水冷线圈绕制而成。

2022年10月，“中国环流三号”等离子体电流突破100万安培，并于2023年8月首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。

中核集团表示，“中国环流三号”实验综合参数聚变三乘积实现了大幅跃升。

聚变三乘积(等离子体温度、密度和能量约束时间的乘积)是衡量聚变效果的参数。学术界认为，该数值达到10的22次方时，聚变反应输出的功率才能大于等于为驱动这一反应而输入的功率，达到点火条件(Q>1)。

由于地球上难以形成太阳内部的压强，聚变装置需要将等离子体温度加热至1亿摄氏度以上，并维持足够长的时间才可能触发聚变反应。

点火成功也意味着“烧”聚变原料“炉子”被点着，等离子体进入自持燃烧状态，即不需要外部额外的能量输入，仅通过内部加热就能维持极高的温度。

据上述国内聚变行业人士介绍，中国位于安徽合肥的全超导托卡马克核聚变(EAST)实验装置已多次实现超亿度的等离子体运行，但并非电子和原子核同时达到亿度。

该装置由中科院合肥物质科学研究院自主研制，于2006年9月28日建成，并首次等离子体放电成功，至今等离子体运行次数超过15万次。

2021年5月，EAST成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。当年12月，该装置将电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体维持了1056秒。

该人士同时指出，位于英国的欧洲联合环形装置(JET)、日本和欧盟共同建设的大型核聚变实验装置JT-60SA 等装置已实现同时将电子和离子加热至亿度。

“中国环流三号”的突破，是可控核聚变走向应用核心环节的体现，但并不意味着将很快实现聚变反应。

今年2月28日，全国政协委员、中核集团聚变领域首席科学家段旭如在两会代表委员见面会上表示，“中国环流三号”仍处于实验研究阶段，目标是验证聚变堆物理与工程相关技术的可行性，还不是直接发电。

段旭如指出，该装置的核心任务是实现“聚变点火”，按照中国核能发展战略，其应用预计在本世纪中叶(约2050年前后)实现，预计2045年左右进入示范阶段，有望在2050年前后商业化发电。

不过，“中国环流三号”最新的实验，创造了中国聚变研究多项新纪录和成果。

“我们自主研发的加热、控制与诊断等设备与系统首次投入运行，相关技术指标达到了国际前列，创造了我国核聚变研究多项新纪录。”钟武律说。

其中，自主研制的高功率微波回旋管成功投入运行，最高注入功率达2.5MW，掌握了稳定获得电子内部输运垒的控制技术，实现电子温度1.6亿度。

此外，建成并投运2套具有完全自主知识产权的高功率中性束注入加热系统，单条束线最大功率达7兆瓦，跻身国际第一梯队。该系统是提升原子核温度的核心设备。

核工业西南物理研究院也首次提出并实现了提高芯部能量约束的新方法，掌握了提升原子核温度的运行策略。根据芯部能量约束调控方法，成功抑制了制约原子核温度提升的芯部磁流体不稳定性，攻克了电流剖面及密度剖面控制等技术难题，在国内首次实现原子核温度超过1亿度的可重复放电。