1月20日,中国"人造太阳"东方超环(EAST)创造了新的世界纪录:实现了1亿度高温等离子体1066秒的稳定运行,超过了该装置2023年创造的403秒纪录,遥遥领先全球其他同类装置一个数量级(70-100秒)。这一突破让我们离可控核聚变的梦想更近了一步,但究竟还有多远呢?
要实现核聚变,需要足够高的等离子体密度(n)、足够高的温度(T)和足够长的能量约束时间(τ)。这三个参数的乘积必须超过一个临界值,大约是3x10^21千电子伏特·秒/立方米,这就是著名的劳森判据。
那么在托卡马克装置中,要让三重积达到临界值,最重要的参数是哪一个呢?毫无疑问是约束时间!这也是这次突破的意义所在,也是中国人造太阳遥遥领先国际水平的关键。
这是因为在托卡马克装置中,等离子体密度主要受限于磁场强度,这是装置设计决定的,没有大的提升空间。
温度需要维持在约1亿度的合适范围内,因为太高会带来更多的辐射损失,增加不稳定性,并可能损坏装置。并且劳森判据指出,三重积对温度依赖性很弱,仅为T^(-1/3),通俗来说,就是温度翻倍,所需三重积仅减少约20%。
而约束时间主要受限于我们的等离子体控制技术,理论上没有明显的物理上限,所以存在很大的提升空间。这就是为什么EAST这次把约束时间从此前的411秒提升到1066秒如此重要——它在可提升最大的维度上取得了重大突破。
这就像是在玩一个大型多人在线游戏:在合适的温度(玩家水平)和密度(玩家人数)下,约束时间(服务器稳定时间)越长,核聚变反应发生的机会就越大。但我们还无法准确预测在什么条件下,这个概率会达到一个显著的水平,是3000秒,10000秒,还是这个人造太阳的“三体运动”压根儿无解,人造太阳根本就无法实现?
这仍然是一个谜,这也是为什么全世界的科学家都在密切关注每一次突破,因为每一次进展都可能带来关键的启示。
EAST这次的成就,证明了我们在挑战这个"概率游戏"时,至少掌握了如何让"游戏"持续运行的技术。下一步,科学家们将继续探索如何在这个稳定运行的基础上,进一步优化其他参数,直到最终实现可控核聚变的终极目标。