103 浏览近日我有幸读到一篇很好的文章，特分享给大家
2021年12月30日晚，中国人造太阳项目——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，创造了新的世界纪录。
首先，隆重介绍本期内容的特邀供稿人——全能大叔。尽管他未曾直接参与核聚变研究，但在清华大学和MIT求学期间，他系统学习了相关课程，现已成为该领域的科研工作者。此次能邀请到他实属荣幸，某种程度上也归因于美国疫情反复，使他得以抽出时间共同打磨本期内容。
言归正传，本期将围绕以下核心议题展开探讨：人类发展核聚变技术的必要性；突破1000秒运行时间的科学意义；我国研究水平在国际同行中的定位；实现工业级核聚变技术尚待攻克的关键难题。
在解析过程中，我们将不可避免地涉及专业概念。为确保解释既通俗易懂又不失科学性，我们将采用严谨而平实的表述方式。
在制作本期文章时，我与全能大叔投入了大量精力。首先，我将简要回答第一个问题：为何我们需要核聚变技术？
目前，工业级裂变反应技术已相对成熟，核电在众多发达国家和发展中国家的能源体系中均占据一定比例。然而，若人类对核能的利用仅停留在裂变层面，仍将面临诸多限制。例如，核裂变所需的矿产资源储量有限，且核原料的开采与提纯工艺要求高、难度大。
此外，裂变材料的放射性污染较为严重，且核废料的后续处理过程也相当复杂。
在过去的几十年里，全球核电站曾发生多起核泄漏事故，例如1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故和2011年日本福岛核电站事故。这些事故对生态环境和人类造成了深远的影响。
相比核裂变，核聚变是一种更环保、高效且安全的核能利用方式。
理论上，核聚变不会产生核废料或残留物，几乎无污染，且原材料相对易得，可谓取之不尽、用之不竭。
标题中的“人造太阳”是核聚变反应装置的一种通俗称谓，之所以如此命名，是因为其反应原理与太阳相同。
如果人类能够掌握可控核聚变技术，虽然不能从根本上解决能源危机，但至少在短期内，能源问题将不再成为制约人类发展的瓶颈。
接下来，我们讨论第二个问题：如何评价运行时间超过1000秒的突破？这一问题的讨论需结合实现可控核聚变的终极目标展开。
简而言之，EAST此次1056秒的实验，在史无前例的时间长度上验证了维持高温等离子体稳定运行的技术，但尚未实现有效的核聚变反应。为全面理解该实验成果，需先厘清几个基本概念及其关联性。
首先介绍能量增益因数，通常用表示，它是指高温等离子体发生核聚变产生能量的功率与维持等离子体稳定运行所需功率的比值。要实现可控核聚变能源利用，必须尽可能提高值。
在提升过程中，是一个重要临界点，这意味着高温等离子体产生的能量功率与维持其稳定状态所需的功率相等，表明等离子体在该反应中实现了能量收支平衡。
当时，可以认为该聚变系统已被点燃，这意味着该系统能够产生正向的能量收益。
对于氢弹这类极端核聚变反应的应用，其能量释放过程可视为Q值在极短时间内急剧上升至峰值后又迅速回落。
这种技术应用于军事领域，主要因其能在极短时间内释放巨大能量。了解Q值的定义后，我们介绍一个简单的判定准则来判断Q值是否达到1，即劳森判据（Lawson’s Criterion）。
简而言之，劳森判据指出，当等离子体的密度、温度与约束时间的乘积超过某一阈值时，高温等离子体可以跨越Q值等于1的门槛，聚变系统即达到点燃状态。根据劳森判据，EAST此次1056秒的长脉冲实验尚未达到点燃条件。
需要特别强调的是，高温等离子体的运行时间（或称脉冲长度）与劳森判据中的约束时间，是两个完全不同的概念。
为了解释这一区别，我们可以将核聚变反应类比为一个水池。池中的水代表反应中等离子体的能量，水池设有入水口和出水口。
这实际上是一道刻在所有中国人DNA中的数学题。我在准备材料时才领悟到，这个看似简单的数学题描述的其实是核聚变问题。
从入水口注入水池的水代表启动和维持核聚变反应所需的输入能量，而出水口流出的水则代表聚变反应向外传递的能量。水面上漂浮的冰块象征着尚未通过核聚变释放的能量。
将其比作冰是因为在反应过程中，冰可以转化为水，这一过程对应着核聚变反应将原子核中的核能转化为等离子体能量的过程。劳森判据中的约束时间描述了等离子体向外界丢失能量的快慢，在这个例子中可以理解为反应停止后池子里的水漏完所需的时间。
新闻中报道的1056秒运行时间，又称脉冲长度，是指等离子体在装置内维持稳态运行的时长。
在该实例中，这套进出水系统的总工作时间可理解为从系统启动到终止期间，持续向水池注水以融化浮冰并同步完成排水作业的累计时长。
在明确这些概念后，我们回到EAST的千秒脉冲实验。虽然实验未达到点燃标准，即未突破的临界条件，但刷新了高温等离子体脉冲时长的记录。
这一成果虽与核聚变实现的临界条件无直接关联，但其重要意义在于探索维持长时间稳定高温等离子体的方法。该研究涉及核聚变实验的多个方面，具有重要科研价值。
我们并不缺乏破坏性应用，未来的核聚变发电站需要具备长时间维持聚变反应的能力。接下来是第三个问题：与国际上其他研究机构相比，我们的EAST项目处于什么水平？
在已投入实验的托卡马克装置中，中国的EAST项目处于世界领先水平。其真空室主径为1.85米，仅次于欧洲联合环JET的2.96米。
在运行时间方面，我国的EAST全超导托卡马克装置打破了此前保持的411秒最长运行时间记录。
从Q值角度来看，欧洲联合环（JET）保持着托卡马克装置已实现的最高Q值0.67的世界纪录。目前全球托卡马克装置尚未在实验中直接达到Q值等于1的临界条件，最高纪录仍为0.67。
世界其他主要托卡马克装置还包括美国普林斯顿等离子体物理实验室的NSTX、通用原子能公司的DIII-D以及日本的JT-60。
与此同时，全球范围内正在建设和规划的托卡马克装置还包括麻省理工学院主导研发的Spark和Ark，以及不得不提及的Ether项目。
Ether在拉丁语中意为”道路”，其真空室主径长达6.2米，建成后将成为世界上最大的核聚变研究装置。该装置的能量增益因数Q设计值为10，脉冲长度设计值达到400秒。
