“人造太阳”20岁了 “聚变电”离我们还有多远？

2025年1月20日EAST物理实验总负责人龚先祖（右）和中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所副所长陆坤拥抱庆祝。

EAST在安徽合肥创造新世界纪录，首次完成1亿摄氏度1066秒“高质量燃烧”，标志我国聚变能源研究实现从基础科学向工程实践的重大跨越，对人类加快实现聚变发电具有重要意义。

新华社记者 周牧 摄

这是位于安徽省合肥市未来大科学城的紧凑型聚变能实验装置（BEST）建设现场（2026年4月15日摄，无人机照片）。

新华社记者 周牧 摄

2005年4月15日，工作人员对EAST装置进行总装。

（中国科学院等离子体物理研究所供图）

2021年5月28日凌晨拍摄的实验成功后的EAST控制大厅。

当日，EAST成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。

新华社记者 周牧 摄

2023年4月12日，部分科研人员在实验成功后的EAST控制大厅留影。

当日21时，EAST成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。

新华社记者 张端 摄

2026年4月28日，EAST团队特任副研究员郭晋在EAST上进行设备调试。

新华社记者 周牧 摄

2006年9月28日，合肥科学岛，全超导托卡马克核聚变实验装置EAST首次实现高温等离子体放电。

20年后，这台被称为“人造太阳”的大科学装置仍在运行，而它身后的中国核聚变研究，已经从“把等离子体烧起来”，一步步走向更长时间、更高性能，甚至开始尝试回答另一个问题：核聚变，究竟怎样真正变成可以使用的能源？

EAST建成运行20周年之际，记者专访了中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所科普主管蔡其敏，聊了聊这颗“人造太阳”20年来究竟解决了什么问题，为什么已经有了EAST还要继续造BEST，以及普通人最关心的——聚变能源到底离我们还有多远？

从3秒到1066秒，

难的从来不只是“烧得更热”

“人造太阳”，这个名字很容易让人产生一个直观想象：科学家是不是在实验室里真的造出了一个小太阳？

“其实更准确地说，是在地球上创造类似太阳内部发生核聚变所需要的环境。

”蔡其敏解释。

太阳持续发光发热，能量就来自内部的核聚变反应。

简单来说，就是较轻的原子核在极端条件下聚合，形成更重的原子核，同时释放出巨大能量。

到了地球上，科学家想做的，是把这个过程“搬”进实验室。

现在主流的一条技术路线，是让氘、氚等氢的同位素发生聚变。

但地球上没有太阳内部那样巨大的引力，为了让反应发生，就需要把等离子体加热到1亿摄氏度甚至更高。

问题紧跟着就来了。

“什么东西能装得住1亿摄氏度？”

蔡其敏说，“答案是不能让它直接接触任何东西。

”

全超导托卡马克装置因此更像是在造一个看不见的“笼子”。

超导磁体产生强磁场，把带电的高温等离子体约束在真空室中央，让它悬浮起来，尽量不与周围材料直接接触。

这也是为什么，一颗“人造太阳”里，会同时出现两种差异极大的温度：中心是上亿摄氏度的等离子体，附近的超导磁体工作环境却可以低到零下269摄氏度左右。

“可以理解成‘冰火两重天’。

”蔡其敏说。

但温度只是其中一个问题。

如果只是让等离子体在很短的时间里变得很热，并不意味着已经掌握了未来聚变发电的能力。

真正困难的是，它既要足够热，还要有足够的密度，并且稳定维持足够长的时间。

温度、密度和约束时间三者的乘积，被称为“聚变三乘积”。

过去20年，EAST不断做的事情之一，就是把这个过程一点点延长。

2006年首次放电时，时间仅3秒。

此后，几十秒、100秒、400秒，一个个节点被跨过去。

2025年1月20日，EAST实现上亿摄氏度高约束模等离子体1066秒稳态运行。

1066秒，17分46秒。

放在日常生活里，不过是一顿早餐、一次短途通勤的时间。

但在一台托卡马克里，让上亿摄氏度的等离子体稳定维持这么久，背后需要加热、控制、排热、材料等一整套系统同时工作。

为什么一定要追求“长”？

蔡其敏打了个很生活化的比方：“以后如果真要建聚变电站，不可能点一下火，几秒钟就关掉。

发电需要的是长时间、稳定地运行。

”

所以，“亿度千秒”真正重要的，不只是时间数字变长了，而是实验状态越来越接近未来聚变堆需要的工作方式。

从2006年至今，EAST已经完成超过15万次等离子体实验。

它最初设定的很多科学目标已经陆续实现，但并没有因此“退休”，仍在继续升级，也在为下一代聚变装置积累经验。

20岁，对这台装置来说，更像是跑完一段长路后，开始把经验交给下一棒。

为什么有了EAST，

还要再造BEST？

EAST已经做到“亿度千秒”，为什么还要继续建新的“人造太阳”？

蔡其敏说，要理解这个问题，首先得分清核聚变研究的几个阶段。

EAST更重要的任务，是研究高温等离子体怎样被长时间、稳定地约束，解决未来聚变堆运行中的科学和工程问题。

它回答的是很多个“能不能”：能不能达到足够高的温度？能不能稳定运行足够久？能不能把热量排出去？材料能不能承受？控制系统能不能跟得上？

而接下来正在建设的BEST，则要往前再走一步。

按照计划，BEST将于2027年底建成，之后开展氘氚燃烧等离子体实验，并尝试演示聚变能发电。

“到了这个阶段，聚变反应本身会真正成为主角。

”蔡其敏说。

真正的氘氚聚变发生以后，会产生大量高能中子。

它们会不断轰击装置内部材料，带来更复杂的热负荷和辐照环境。

怎样把产生的能量带出来？真空室和第一壁怎样长期承受？设备出现故障后，人在强辐射环境下又该怎么维修？

这些问题，已经不只是“把等离子体控制住”这么简单。

也正因为这样，在BEST旁边，还有一个常被称作“超级工厂”的大科学装置——聚变堆主机关键系统综合研究设施CRAFT，也就是“夸父”。

这里并不直接进行聚变反应，而是给未来聚变堆造部件、做测试。

比如，一套形似巨大“橘子瓣”的八分之一真空室及总体安装系统，高度接近20米，重量约300吨。

未来聚变装置里，上亿摄氏度等离子体所在的真空室，就需要由这样的巨型、高精度部件组成。

另一边，强流直线等离子体装置“赤霄”，则要提前“折腾”未来聚变堆里的材料：用高强度粒子流持续轰击，看看一块材料在极端环境里到底能撑多久。

还有给等离子体加热的射频波系统和中性束系统、制造强磁场的超导磁体，以及未来可能承担检修工作的核退役和遥操作机器人。

“很多东西市场上根本买不到。

”蔡其敏说，“都是非标准设备。

哪怕其中一个部件，很多时候都要自己设计、自己加工、自己测试。

”

这句话也解释了，为什么核聚变研究常常需要几十年的积累。

实验室里一次漂亮的放电，只是一个瞬间。

真正要让一台聚变装置长期工作，背后是一整条工程链：材料、超导、低温、真空、大功率电源、机器人、精密制造，一个环节都不能少。

而这些技术，也不会只留在“人造太阳”里。

“我们做聚变，不是说所有技术最后只能用在聚变上。

”蔡其敏说。

这些年，围绕聚变研究形成的超导、低温、加速器、材料和高端装备能力，已经向医疗、集成电路、交通、航空航天等领域延伸。

超导质子治疗、7T核磁共振、医用同位素回旋加速器，超导滤波器、超导磁悬浮，以及1.8K超流氦制冷机等，都和相关技术积累有关。

换句话说，哪怕真正的聚变电站还没有出现，为了造“人造太阳”解决的一些问题，已经先一步离开实验室。

“什么时候能用上聚变电？”

这个问题，不能只看一个年份

聊到核聚变，公众最容易问到的，还是同一个问题：“到底什么时候能发电？”

蔡其敏没有给出一个具体日期。

因为从科学原理走到一座真正稳定运行的电站，中间还有不少问题要解决。

核聚变为什么让人期待，其实并不难理解。

它使用的氘在自然界中储量丰富，海水里就有；聚变反应本身不产生二氧化碳，主要生成物是氦；与核裂变依靠链式反应持续不同，维持聚变需要非常苛刻的条件，一旦这些条件消失，反应也会随之停止。

能量密度同样很高。

蔡其敏举例，每升海水中大约含30毫克氘，这些氘如果能够充分参与聚变，释放出的能量相当可观。

这也是世界各国几十年来始终没有放弃核聚变的重要原因。

但从“能发生核聚变”，到“能把它稳定控制住”，再到“能够持续发电”，并不是同一件事。

第一壁材料要承受高热负荷和高能中子的长期轰击；氚燃料需要实现循环与增殖；设备要在强辐射环境中维护；整个聚变堆还要把产生的热量稳定、高效地转成电能。

最后，还得算经济账。

“所以不能简单理解成，实验做到一亿摄氏度，就马上能够发电了。

”蔡其敏说。

这也正是EAST、CRAFT和BEST为什么会同时出现在合肥的原因。

EAST更多解决稳态高性能等离子体运行的科学问题；CRAFT把很多关键部件提前拿出来，在极端条件下反复验证；BEST则计划进一步进入氘氚燃烧等离子体和聚变能输出阶段。

再往后，才是更接近真正聚变电站的工程示范装置。

这是一场一棒接一棒的实验。

中国同时也一直深度参与国际核聚变研究。

2006年，中国正式参加国际热核聚变实验堆ITER计划。

此后20年，中国科研团队不仅参与科学研究，也承担了大量关键部件研制和工程任务，而EAST也成为ITER相关研究的重要实验平台之一。

20年前那个下午，EAST第一次实现高温等离子体放电，时间仅3秒。

20年后，同一台装置已经把上亿摄氏度高约束模等离子体维持了1000多秒。

在它之外，更接近聚变工程验证的新装置也正在建设。

采访最后，再问蔡其敏，普通人应该怎样理解“人造太阳”距离自己的远近，他依然没有把答案落在某一个年份上。

“聚变能源不会因为某一次实验成功，第二天就走进千家万户。

”他说，“我们现在做的，就是把原来一个个不知道能不能解决的问题，变成已经解决的问题，再继续往下走。

”

从最初的几秒，到今天的1000多秒，这20年，大概就是这样一步一步走过来的。

10月13日灶神星冲日，“最亮小行星”迎来观测良机

天空中最亮的小行星——灶神星将于10月13日冲日，冲日前后亮度约为6.3等，迎来观测良机。

为什么冲日前后是观测灶神星的好时机？中国科学院紫金山天文台科普主管王科超说，冲日是指天体与太阳的地心视黄经相差180度，此时天体、地球、太阳三者近似排成一条直线，地球恰好位于中间。

冲日前后，灶神星处于本轮会合周期中距离地球较近的阶段，被太阳照射的一面几乎完全朝向地球，亮度高且整夜可见，因此观测条件最为有利。

“10月中旬的前后数周都比较适合观测。

”王科超介绍，冲日时，灶神星在日落时从东方升起，几乎整夜可观测。

天文爱好者可借助双筒望远镜寻找它。

由于人类肉眼的观测极限约为6等，视力极佳的观测者，在无光污染的暗夜环境下有机会尝试肉眼观测它。

无论用肉眼还是用望远镜观测，灶神星均呈现星点形态。

“灶神星在星空中的位置也并非固定，相对于背景恒星每天会略微向西移动，但移动幅度很小。

借助星图定位，并连续观察几晚，就有机会从相对固定的背景恒星中辨认出这个会慢慢‘挪动’的小行星星点。

”王科超说。

值得一提的是，灶神星与地球距离最近时发生在10月9日，比冲日早4天，并非恰好发生在冲日当天。

王科超解释道，冲日看的是天体与太阳在天空中的相对位置，而不是距离远近。

灶神星的轨道既不是正圆，也与地球轨道不在同一平面，其轨道与黄道面存在约7度的倾角，因此“方向最对”和“距离最近”并不一定落在同一天。

王科超介绍，灶神星于1807年3月29日被发现，是人类发现的第四颗小行星。

灶神星个头相对较大、反照率高，是从地球上看最亮的小行星。

灶神星还有一个特别之处：地球上已经找到了来自它的陨石。

王科超解释道，陨石是太阳系天体形成和演化过程中不同阶段残留的“化石”。

灶神星在漫长的演化过程中经历过剧烈撞击，一些表面岩石由此被抛入太空，部分碎片最终落到地球。

在地球上收集到的无球粒陨石中，有一大类被称为HED族无球粒陨石。

HED取自三类陨石英文名称的首字母，分别是古铜钙长无球粒陨石（Howardite）、钙长辉长无球粒陨石（Eucrite）和古铜无球粒陨石（Diogenite），它们被认为来自灶神星。

“绝大多数陨石很难确定母体来源，但HED陨石不仅是已发现无球粒陨石中数量最多的族群之一，而且母体来源明确，这些‘送到地球的灶神星样品’为科学家研究灶神星的形成演化和撞击历史提供了重要依据。

”王科超说。

（新华社）

科学家发现了可改进电池和太阳能燃料的隐藏材料

研究人员通过密切追踪分子前体在加热过程中分解和转化时发生的变化，发现了此前未知的材料。

其中一项发现是一种已被广泛研究的清洁能源材料的新形态。

这项发表在《自然-通讯》上的研究，关注的是分子转化为固体材料时出现的中间相。

这些暂时阶段常常被忽视，因为科学家通常关注最终产物。

通过捕获并研究它们，研究人员找到了一条可能通向那些难以或无法通过常规合成获得的材料的途径。

材料形成过程中的隐藏阶段 华威大学化学系的塞巴斯蒂安·派克博士说：“当通过加热制备材料时，科学家通常关注最终产物，即由‘A’生成的‘B’。

但这项研究表明，在‘A’和‘B’之间有许多迷人的阶段，而这些隐藏步骤可能同样重要。

” “我们开始时并不确切知道会发现什么，但我们确信中间相中会有一些有趣且未知的东西。

令我们激动的是，甚至在最初的实验中就发现，其中一些可能有实际用途。

” 研究人员从专门设计的“单源前体”入手，这些分子包含生成某种材料所需的全部元素。

随后，他们监测了随着温度升高这些分子如何变化。

这种方法揭示了若干此前未知的材料相。

其中之一是一种新的、动力学稳定的钒酸铋（BiVO4）形态，研究人员将其命名为β-BiVO4。

一种新的钒酸铋形态 由于具有有用的“带隙”（吸收阳光并驱动化学反应所需的能量），BiVO4在清洁能源研究中备受关注。

它的性质使其能够有效吸收阳光，同时仍提供足够的能量来分解水并产生清洁的氢燃料。

新鉴定出的β-BiVO4具有与已知该材料形态不同的原子排列。

它的带隙也显著更大，这改变了它与光相互作用的方式。

这些差异可能为研究人员提供新方法，以调控用于太阳能燃料生产、催化和电子学的材料。

下一代电池的潜力 新发现的中间相也可能在太阳能之外有用途。

实验中鉴定出的另一种隐藏材料能够储存大量锂，这提高了它可能有助于下一代电池技术的可能性。

伯明翰大学化学学院的多米尼克·库比茨基博士说：“令人兴奋的是，这些‘中间’材料不仅仅是垫脚石——它们本身就可能具有有用的性质。

通过理解并控制它们的形成方式，我们可以开始设计用于电池、催化和太阳能的更好材料。

” 为了观察这些通常隐藏的状态，研究人员结合了多种最先进的技术，包括固态核磁共振波谱、X射线衍射和对分布函数分析。

他们的结果还表明，在过程开始时选择的前体，以及该前体分解的方式，会强烈影响形成哪些材料。

通过控制这些因素，研究人员或许能够制备出用标准加热方法难以获得的结构。

通往未发现材料的新途径 这些发现表明，材料形成过程中的暂时阶段可能是一个很大程度上尚未探索的有用化合物来源。

科学家或许不再只把中间结构视为通往最终材料的短暂步骤，而是能够有意地创建并稳定它们，以供实际应用。

派克博士总结道：“我们在这里只研究了几种前体，但这项工作指向了材料科学中更广泛的机会。

通过仔细控制温度、前体化学和反应路径，可能还有更多‘隐藏’但极其有用的材料有待发现。

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