核聚变过程中，两个轻原子核融合成一个新的原子核，所产生的原子核质量比原来两个原子核的总质量略轻。这一质量差并没有消失，而是被转化为能量。通过微小的质量，产生巨大的能量，使得研究核聚变能非常值得。理论上，只需要极少质量的反应物，就有可能产生10的12次方焦耳的能量，这大概是发达国家一个人在60年间所消耗的能量。要实现核聚变过程，需要将众多原子核约束在一个小空间内，以增加它们彼此碰撞的机会。而太阳，正是一个完美的核聚变反应容器，其巨大的质量可以产生强大的引力，从而在内部创造出一个极端高温高压的环境。

在极端条件下，原子表面的电子将会脱离原子核的束缚，变成正离子和自由电子组成的高温带电气体。这一状态被成为等离子体态，具有不同于常规物质状态的性质。等离子体处于无序状态、超热，易发生混沌和其他不稳定性，因此可控的操纵等离子体是实现可控核聚变的关键。托卡马克利用磁约束控制等离子体，是目前实现可控核聚变的核心部件。

根据维基百科的介绍，托卡马克源于俄语Токамак，译为具有磁线圈的环形真空室，又称环磁机。托卡马克是一种利用磁约束来实现磁约束聚变的环性容器，相较于其它核聚变反应堆，其在可控核聚变方向表现出最高的可靠性，而超导托卡马克的最主要特点是可以长时间约束等离子体。

(相关资料图)

在托卡马克内部，红色箭头所示的电场驱动电流通过等离子体柱，将产生一个垂直方向上的磁场，等离子体电流则会被弯曲成一个圆形（绿色垂直线圈）。这一设计原理的目的主要是防止泄漏，并且在一个环形容器内形成一个真空环境，以延长等离子体的寿命。环形磁场和极向磁场相结合会形成一个类似螺旋结构（黑色箭头）的三维曲线，等离子体在其中受到高度约束。

在此次实验中，所采用的全超导托卡马克核聚变实验装置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST）就是目前最有前景的一种模式。在EAST中，受益于极向场超导磁体的应用，将产生大于10的6 次方安培的等离子体电流，且在高功率加热下温度将超过一亿度，为核聚变反应提供一个高能的环境。

作为世界上第一台由中国设计研发的超导托卡马克装置，EAST 已于 2007 年正式投入运行。EAST具有非圆形截面、全超导磁体和全主动水冷等离子体面对组件三大显着特点，对稳态等离子体的研究具有重要的意义。与国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER）相比，EAST 体积更小且更灵活，但在形状和平衡方面相似。EAST 所进行的物理研究将为ITER 和中国聚变工程试验堆（China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR）提供直接经验，促进中国聚变堆核心技术的发展，并最终为聚变能的应用做出贡献。

早在2005年，中国已经参与构建ITER。ITER 是国际核聚变研究和巨型工程，将成为世界上最大的磁约束等离子体物理学实验装置，以及最大的用于实验的托卡马克核聚变反应堆，该工程邻近于法国南部。目前，该装置正在组装和集成阶段，并将于2035年启动氘-氚运行。

此次突破将会是等离子体物理研究的重要进步，并将推动未来核聚变发电站的建设，使中国磁约束核聚变研究进入世界前沿。目前，下一代中国聚变工程实验堆已完成工程设计，将有望建设成为世界首个聚变示范堆。

参考资料：

1.什么是核聚变？它为什么如此难以实现？《国际原子能机构通报》，2021.05

2.用托卡马克和仿星器实现磁聚变约束，《国际原子能机构通报》，2021.05

3.http://east2.hfsxw.cn/

运营/排版：何晨龙