中国「人造太阳」EAST 创世界纪录实现 1 亿摄氏度百秒，有哪些意义？我们离可控核聚变更近了吗？ 第1页

更近了什么意思？不到50年了吗？

这东西谁先设计出来，谁就可能领先对面一个身位，而领先一个身位就可能决定了战争的胜败，战争的胜败就可能决定了国家的毁灭，现在的人对它的理解还是停留在人类科学技术突破上。

核聚变的意义不亚于蒸汽机，当年发明蒸汽机的人肯定想不到后面的鸦片战争和世界大战，现在发明核聚变的科学家还没有彻底认识它的意义。

巧了，这题我真会~

首先 ，所以1.2亿度相当于15 keV，1.6亿度20 keV。

抱歉，写第一稿的时候没看见官方报告。这里的能量有些出入。

1.2亿度实际对应约10keV的电子动能，而1.6亿度则对应约13keV。

前一个运行记录是韩国的KSTAR五个月前创造的1亿度20秒。1.2亿度100秒差不多就是“你爸爸就是你爸爸”的感觉。

其实，相比于1.2亿度100秒，感觉1.6亿度20秒是个更厉害的结果，凡尔赛地讲，做到了20秒，过一阵子就能做出100秒了，差别不大。但20 keV这个指标就很厉害，尤其是在讨论聚变三重积和氚自持的时候。

嗨~这里我来带大家推公式祝个兴呗~

下面的图都是我亲手做的，你们随便用，但用于学术目的的话希望site一下Ref.[1] ^[1]。

读完此文，我相信大家回去再听别人装B讲什么劳森判据（Lawson criteria^[2]），你能直接告诉他们Lawson criteria到底在说啥，咋来的。保证连对托卡马克不感兴趣的没学过大学物理的文科妹子也能听懂。

聚变装置内的能量平衡

首先我们要了解的就是核聚变装置的基本原理。这个非常简单，看下图（我做的，记得MIT某个讲义里面有个类似的图），就是在封闭空间里让尽可能多的燃料（氘）反应掉。

• 学点英语：Tritium-氚，Breeding-增殖，Fusion-核聚变，Neutron-中子，Confinement-约束/限制，Divertor-偏滤器

这里我们不用管是如何把燃料约束在封闭空间的，约束方式多种多样，用超导磁场只是其中比较便捷好用的一种。

总之，聚变装置就是在封闭空间内，燃料在反应温度下发生聚变释放能量 ，反应温度下，等离子体中的离子不停“碰撞”会有轫致辐射（bremsstrahlung radiation) ，导致能量损耗，为了反应能够自持，聚变能量的一部分 需要用于加热燃料。当然，由于各种各样的其他损失，聚变能并不100%可用。

假设只有 的聚变能量能够被使用，要在聚变装置内维持聚变反应就需要能够被使用的能量功率大于损耗和加热功率（实际上，下表达式中都是功率密度，单位为 或者是 )：

相关功率的表达式

：很简单呐，反应速率乘以能够获得的能量。假设装置内燃料浓度为n （ )，若氘氚等量，则

其中 是“反应速率”（注意这个的单位是 )，大体是等离子体温度的函数。DT反应的反应速率随温度变化曲线^[3]如下，10keV以下反应速率“肉眼可见”地暴跌，5keV时反应速率比10keV时小一个数量级。

另外需要指出的是， 是聚变反应释放到等离子体的能量，也就是氦核能够分到的能量3.5MeV，中子能量虽然高，但其与等离子体产生相互作用传递能量的概率很低，在这里就忽略掉了。

：更简单啦，轫致辐射的强度正比于温度的平方根和离子密度的平方， 。很好理解啦，温度（也就是离子动能）的平方根正比于速度（完整方程中还包含核电荷数），而速度与密度的积则正比于碰撞频率。碰撞频率越高，轫致辐射越强，非常合理。

对于氢的同位素，T取keV做单位时， 。（这个系数怎么来的这里就不用管啦，是一个复合系数，里面包含的内容有点多的。）

：稍微要绕一点，需要把量为n的氢同位素在等离子体约束时间内加热到温度T，毕竟等离子体无法存在无限久，因而，需要的加热功率为 ， 为约束时间。

将 代入 ，可得

因而，

劳森判据

就是著名的劳森判据了。

等离子体密度，约束时间和温度的三重积（triple product）必须大于特定值，等离子体才能自己维持在聚变温度不冷却。

肉眼可见这个劳森判据实际上是温度的函数，将反应速率函数一并代入， 姑且取1（实际上约为1/3，不过问题不大)，右式随温度的曲线如下图，最小值出现在20keV附近，最小值约为 ，有时会简化为10^21，因为目前的实验距离这个值还有一定距离。

哦，对了，劳森判据在温度接近1.56keV时趋向于无穷大，而在1.56keV以下时，判据为负值，就是说，温度太低时，聚变等离子体无论如何不可能自持。而1.56keV相当于1200万度，太阳核心温度为1500万度，加上DT聚变几乎是最容易实现的聚变反应，太阳核心发生的质子质子链反应的控制反应pp反应要比DT难得多，太阳核心处的“燃烧速率”（reactivity）极低，约为 ，“燃烧速率”（reactivity）比运行在15keV~20keV的聚变堆要低四十多个数量级。不过因为太阳核心超高的密度 ，从而保证了太阳能够自持燃烧，即便在如此高的密度之下，太阳核心处单位时间的反应密度 仍小于聚变堆约二十个数量级，不过极缓慢的聚变反应也确保了太阳能够长久的燃烧下去。

EAST的三重积估算

根据EAST这次的数据， 。是不是说 了呢？

并不是。先随便算一下，如果EAST装置能够进行完美约束，等离子体能量散失只通过轫致辐射损失能量， ，也就是说，15 keV时，约束时间最长为235s，而20 keV时，约束时间最长为272s。

其实可以很高很高。

然而EAST的约束远非完美，实际上由于器型的关系，EAST的约束没办法做的非常好。托卡马克装置中的等离子体实际约束时间大致可以通过scaling law尺度定律进行经验估算，根据EAST以往实验的数据，即是 ^[4]，R是主径（约为1.8m），e是宽长比，IP是等离子体电流，BT是环向磁场强度，ne是电子密度，Ploss是损失功率，感兴趣的可以找找这次实验的数值带入算一算。

从尺度定律可以看出聚变装置的半径几乎直接决定了约束时间的尺度，半径大1倍，约束时间长1.8倍。（开玩笑地讲，这个半经验公式也可能是用来骗经费的。因为一共含有六个参量，有几个参量还不是独立的。（狗头））

所以，EAST的尺寸就决定了它里面的等离子体约束时间不会很长。

我根据以往数值，毛估一下，15keV时， ；20keV时， 于是乎：

时，

若是 ，

这个炉子散热还是太快了。

关于20keV

这个问题其实一张图就说完了。

20keV，好！

10keV，不好！

或者再来一张图。

20keV，好！

10keV，不好！

记住，50 keV以前都是温度越高越好，50 keV以前，温度越高“反应频率”越高，维持反应越容易。

100秒的意义

男人的浪漫就在于更大更持久。（笑）

虽然约束时间只有0.1秒左右，但是并不是说这100秒中只有0.1秒有用。这0.1秒和100秒可以理解为：拿喷枪喷一块湿木头100秒，喷的这100秒里，中间有一段时间，被喷射的部位实际上达到了燃点，然而由于木头过于湿润，喷枪移开后的0.1秒内，木头又会迅速降到燃点以下。

喷枪的绝大部分能量都浪费掉了，但木头可以在这种情况下低效燃烧100秒左右，并产生一些木头燃烧特有的产物。

喷枪我们有了，那如果找到一块不那么湿润的木头会发生什么呢？

其实仅仅追求三重积是没有意义的，氢弹的三重积也足够高，但没办法作为能源使用（氢弹开山、造湖不算）。原因并不完全是因为氢弹的能量巨大，而也是因为氢弹的可操作时间过短，而无法补充燃料持续输出能量。

所以，100秒的意义就是进一步推进了聚变堆的可操作性和容错率。

另外，等比例的DT构成的等离子体中，DT反应消耗氚的速率远高于DD反应生成氚的速率，等离子体会迅速将氚消耗干净。中性束注入（NBI）技术在可预见的各种聚变堆里应该是必不可少的，虽然说是点燃了自持了，直接扔低温的燃料进炉子，炉子恐怕还是会灭掉，所以实际上还是需要拿着喷枪不停地喷，谁家喷枪好，谁家喷枪操作系统好，谁家的炉子就烧得好。

100秒是如何实现的

本次物理实验成果是EAST装置首次在国际上采用全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器、稳态高功率波加热、等离子体位形精密控制等一系列未来聚变堆必须采用的关键技术的验证。这些关键技术是我国聚变科学家和工程师近年来在国家发改委、科技部、基金委、中科院、安徽省、合肥市以及合肥综合性国家科学中心等部门的大力支持下，自主发展掌握的聚变工程核心技术。
目前，EAST装置是国际上唯一具备与ITER类似加热方式和偏滤器结构的磁约束核聚变实验装置，是唯一能在百秒量级条件上全面演示和验证国际热核聚变实验堆ITER未来400秒科学研究的实验装置。EAST装置上的系列创新研究成果和技术积累，也为我国自主建造聚变工程实验堆提供坚实科学技术基础。^[5]

嗯，同意，我也认为是这么实现的。

CFETR快点来吧！

参考

1. ^ Zhang, Y. (2020). On the Role of Grain Boundaries in Radiation Defect Production and Evolution in Nanocrystalline BCC Metals, State University of New York at Stony Brook.
2. ^ Lawson, J. D. (1957). "Some criteria for a power producing thermonuclear reactor." Proceedings of the Physical Society. Section B 70(1): 6 %@ 0370-1301.
3. ^ Huba, J. D. (1998). NRL plasma formulary, Naval Research Laboratory.
4. ^ Liu, Y. J., et al. (2020). "Power threshold and confinement of the I-mode in the EAST tokamak." Nuclear Fusion 60(8): 082003.
5. ^ http://www.ipp.cas.cn/xwdt/ttxw/202105/t20210528_641312.html

就这个实验结果而言完全不意外，等体所和 EAST 在这几年里已经展现了极强的进行稳态放电的能力。现在放眼全球，也就是他们做稳态放电的水平最高，结果最好。以后在 ITER 上进行聚变点火后的稳态放电应该也会需要 EAST 上的这套技术。

关于实验结果能评价的大概也就是这些，后面再科普一下大家关心的问题吧。

1.稳态放电有多重要？

虽然没有写进直接关系到聚变反应能否维持的三重积里，但对聚变发电而言不可或缺。

类比一下现有的火电或是裂变发电，我们希望反应堆核心在进行一个可控且稳定的燃烧，而不是连续放出一堆高能量的脉冲。如果只是单纯地达到了足以令聚变反应自持的三重积劳逊判据，而不能进行稳态放电的话，日后建成的聚变电站就必须在每一次点火时额外消耗掉大量能量以加热等离子体到聚变参数，这对技术尚不成熟，Q值相对低的聚变发电而言将是严重的打击。

因此，如果不能实现稳定，可重复的稳态放电，就几乎不可能将可控聚变投入实际的发电中。

2. 这次放电的参数有多高，1. 2亿度足够实现聚变吗？

这个参数对 EAST 来说非常高，但很遗憾依然无法实现聚变，在 EAST 上也没有实现聚变的可能，这是下一代装置的任务。

聚变等离子体中含有电子与离子，实验中两类粒子的温度需要分别计算。此次实验中实现的 1. 2 亿度是电子温度，而离子温度则会比这个温度低三到四倍。这一方面是因为 EAST 的离子加热手段不足，另一方面，达到接近聚变的离子温度也并不在 EAST 的设计目标内。它的任务就是在 ITER 之前探索相对高参数的稳态运行，而到现在为止，EAST 非常出色地完成了任务。

事实上 EAST 仍然只是一个中型的聚变装置，并没有实现足够高的约束时间所必须的尺度，所以在其中实现聚变是不可能的。但等到 ITER 建成之后，实现聚变点火等级的放电就指日可待了。

3. 可重复性怎么样？

托卡马克上的放电虽然不具有完美的可重复性，但在各项等离子体参数接近时，放电的表现也会是接近的。我们并不能保证每一次放电都会像新闻里的说法那样完美，不过只要通过大量实验发现稳态放电的参数空间，就能实现稳定，可重复的类似放电。

4. 可控聚变距离实现还有多久？

乐观的预期是 ITER 顺利地于 2025 年放电，如果前期地等离子体实验结果较好，那么商业示范聚变电站的建设将会在 2030 年左右被提上日程，大约同一时间，ITER 将会实现稳态，可控的聚变点火。

而若是顺利的话，CFETR 将在2035～2040年建成并投入使用。计划中的CFETR会进行象征性地并网发电，其实际地位接近石岛湾的那个高温气冷堆。此后就会是聚变能源逐步商业化的过程了。

5. ITER 和 CFETR 都是什么，现状如何？

ITER 是一个国际合作的聚变装置，有中国，美国，俄罗斯，欧盟，日本，韩国，印度七个参与方。最初的计划是在 2000 年左右建成，但因为各种原因一拖再拖，直到现在还没有投入使用。

不过最近几年计划逐渐步入正轨，现在的装置已经初具雏形，应该会在 2025 年底投入使用。感兴趣的朋友可以去官网或官方推特关注一下 ITER 的进度

CFETR 则是一个参数比 ITER 略高的装置，属于商业示范堆，计划由我国自主建设。目前仍然处于设计阶段，合肥新建的 CRAFT 可以被理解为其设计中心。

现阶段 CFETR 尚未立项，应该是在等 ITER 的实验结果。如果 ITER 的实验结果比较好，那么 CFETR 就会迅速上马，开始建设。而以我国的资源统筹能力，它的建设无疑会比 ITER 快得多。按照李建刚院士的乐观预期，顺利的情况下，CFETR 会在 2040～2045 年开始并网发电。

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