5年“點火”上萬次，他們讓億度人造太陽運行上千秒

文 ｜ 《中國科學報》 記者 張楠

“托卡馬克，是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器。”1月26日，中國科學院合肥物質科學研究院（以下簡稱合肥研究院）副院長宋云濤在“兩院院士評選2025年中國/世界十大科技進展新聞”的發布會上作報告。其團隊的成果——中國“人造太陽”EAST（全超導托卡馬克核聚變實驗裝置）創造“億度千秒”世界紀錄，獲評“2025年中國十大科技進展新聞”。榮譽接踵而至，兩天后，“超導托卡馬克穩態高約束等離子體關鍵技術及應用”又獲頒2025年度中國科學院杰出科技成就獎科技攻關獎。

“挫折是我們科研道路上最常遇見的‘伙伴’，但每一次失敗，都是向成功邁進了一步，因為我們的認知得以深化。”宋云濤近日接受《中國科學報》采訪時表示，“EAST實驗的每一步都穩扎穩打，每一次的重大突破和創造的世界紀錄都來之不易。”

2025年1月，團隊在EAST創億度千秒高約束模紀錄現場合影。周牧/攝

與“太陽”共舞

“2025年1月20日的那個傍晚，是對所有汗水、智慧與堅守的最高褒獎，是‘逐日’理想終于照進現實的光輝見證。”說起EAST實現1億攝氏度1066秒高約束模式等離子體運行的突破，宋云濤似乎又聽到了那天控制大廳里人們的歡呼聲。

實現可控核聚變，被公認為解決人類未來能源問題的終極理想。然而，在地球上復現太陽內部的核聚變反應，并實現穩定可控的能量輸出，難度超乎想象。

“實現聚變能可控、長時穩定維持，穩態高約束等離子體放電是核心難題，也是國際聚變界的競爭焦點。”宋云濤說。

在EAST內部，多種極端環境被強行“封裝”在一起。

用于產生約束磁場的超導線圈，工作在-269℃的液氦低溫中；而被約束的等離子體狀態的氫同位素，卻被加熱到上億攝氏度；為了減少能量損失，裝置內部需要維持極高的真空度，其壓力僅相當于標準大氣壓的千億分之一；為了形成強大的“磁籠”，線圈中需要通入上萬安培的電流，產生數萬高斯的強磁場。工程挑戰之大，可見一斑。

整個EAST裝置包含22個大系統、上百萬個零部件，每一次成功放電，都是對復雜系統高度集成與協同能力的嚴苛考驗。物理、工程、控制等數百名不同專業背景的科研人員，需要像精密鐘表的零部件一樣協同工作。

“億度千秒穩態高約束等離子體”的實現，是三重極限的協同挑戰：“億度”是點燃聚變反應的溫度門檻，“千秒”是邁向穩態運行的時間標尺，“高約束模式”則是未來聚變堆實現高效經濟運行的物理基礎。

“任何一環的短板都意味著前功盡棄。”獲獎團隊成員、合肥研究院等離子體物理研究所（以下簡稱等離子體所）副所長陸坤介紹，在實驗策劃階段，他們開展了持續數年的多輪物理模擬與工程設計迭代。

通往1066秒的道路并非一蹴而就，而是由一次次臺階式的突破鋪就：“1.2億度101秒等離子體運行”入選2021年度國內十大科技新聞；“1056秒高參數等離子體”被國際權威機構列為2021年世界聚變研究五大標志性進展之一；“403秒高約束模”被列為2024中關村論壇年會十大重大科技成果。

每一次突破，都為最終跨越千秒大關積累了寶貴的物理認知與工程經驗。

馭“光”三術

要“馴服”上億度的等離子體長達千秒，必須系統攻克三大關鍵瓶頸：磁位型如何長時精確控制、能量如何高效注入與維持、極端熱流與雜質如何有效排除。也就是說，要求位置控得住、溫度上得去，同時性能不衰退。EAST團隊在這三方面取得了一系列從理論到工程的自主突破，用三術“馭”光。

第一術，超導磁體與精準控制技術，鑄就“最穩磁籠”。

穩態運行的首要前提是磁場穩定。團隊直面超導磁體系統工程化的世界級難題，攻克了萬安級高溫超導電流引線、納歐級低阻超導接頭等瓶頸，自主研發的電流引線性能達到100千安。團隊還建成了一流的綜合性研究及測試平臺，為磁體系統的長時安全運行奠定了堅實基礎。

在控制層面，團隊提出了創新的誤差場補償方法，成功抑制了等離子體邊界的不穩定性，并發明了快速響應控制技術，將位型調整時間縮短至0.5毫秒，實現了對等離子體“姿態”的毫米級調控。

第二術，高效加熱與電流驅動技術，供給“持續心跳”。

等離子體被約束后，仍需持續注入巨大能量以維持上億度高溫。團隊建成了低雜波、中性束、電子回旋、離子回旋等輔助加熱系統，并開發了新型低雜波天線和動態相位補償方法，攻克了射頻波電流驅動效率低的難題。

第三術，高熱負荷與粒子排除技術，構建“終極防火墻”。

如何讓裝置內壁在距離高溫等離子體毫米級的地方不被燒毀，是最大的工程挑戰之一。

團隊自主研發了可耐受20兆瓦/平方米穩態熱流的鎢銅偏濾器系統，成功破解了億度高溫下高通量熱流的實時排除難題。

針對等離子體運行中雜質積累的問題，團隊提出了粉末注入實時調控方法，將等離子體的核心雜質鎢的含量控制在10-5以下；同時，團隊研發了抽速達13萬升/秒的聚變堆級大型吸附式低溫泵，解決了長脈沖放電邊緣粒子實時排除的難題，拓展了等離子體的運行區間。

這些創新技術在EAST裝置上集成應用，創造了億度千秒穩態高約束等離子體放電的世界紀錄，實現了聚變從科學研究向工程應用的歷史性跨越。

基于這些突破，團隊近5年授權發明專利415件，其中包括國際專利8件，牽頭制定國際標準3項，發布國家標準、行業標準等77項，形成了完整的自主知識產權體系。

聚變之“和”

“這項成果是合肥研究院全超導托卡馬克大科學團隊建制化體系化攻關的體現。”宋云濤介紹，EAST團隊成員來自等離子體物理、超導技術、真空工程、材料科學、自動控制、低溫工程等上百個專業領域。

獲獎團隊成員、等離子體所黨委副書記錢金平認為：“在這個體系中，老一輩科學家如同‘定盤星’，憑借深厚積淀把握方向、研判風險；中年科研骨干是‘頂梁柱’，主導關鍵技術攻關與系統集成；青年科技人員則像突擊隊，充滿創新銳氣，善于運用新工具、新方法破解難題。”

在沖擊千秒紀錄的關鍵階段，他們曾遭遇等離子體邊界雜質積累過快的棘手問題。但這種多學科深度協同在攻堅時刻展現出巨大能量——物理診斷團隊率先從復雜的光譜信號中捕捉到異常征兆；理論與模擬團隊隨即開展溯源分析；工程團隊立刻根據模擬結果，對相關部件的冷卻方案和材料狀態進行精細調整；與此同時，等離子體控制團隊優化了加料與雜質排除的反饋控制算法。

科研之路布滿荊棘，宋云濤并不諱言失敗：“5年來，我們進行了上萬次放電實驗，絕大多數并未達到預期目標。重大挫折也屢見不鮮。但每一次失敗，都為我們排除了一個錯誤選項，深化了一層對未知的認識。”

在一次重大實驗失利后，一位資深的老專家沒有召開會議問責，而是在深夜的實驗室里，與幾位核心骨干一起，借助一塊白板，從最基本的物理圖像開始，一步步復盤、推演、爭論，直到天明。

“那是一次完全專注于問題本身的、純粹的學術探討。正是無數個這樣靜下心來、直面問題的‘促膝長談’，讓我們在挫折后重新凝聚共識，找到新的突破方向。”宋云濤表示。

如今，中國的成果與經驗正在深刻影響國際聚變進程。EAST發展的超導、加熱、偏濾器等關鍵技術已成功應用于國際熱核聚變實驗堆（ITER）等國內外十余個大科學裝置。ITER科學部門負責人曾公開表示，需要依靠EAST的實驗來驗證未來ITER實驗堆的可靠性。

下一步，科研團隊將聚焦我國下一代“人造太陽”——緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）。它是聚變工程研究的關鍵，有望實現由反應本身產生熱量維持的核聚變。

在研究團隊看來，“聚變應當成為也必須能夠成為建設世界科技強國的標志性成果之一”。從EAST到BEST，從1066秒到未來的無盡光明，中國科學家團隊最大的愿景始終清晰：為人類開發近乎無限的清潔能源——可控核聚變能。它是從根本上保障能源安全、實現可持續發展的終極能源解決方案之一。他們正為人類共同的聚變能源夢想，持續貢獻中國智慧與中國方案。

《中國科學報》 (2026-02-05 第1版 要聞)

文章轉載自“中國科學報”微信公眾號