EAST实现千秒级高约束模运行：中国"人造太阳"的里程碑突破

引言

2025年1月20日，中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST，又称"东方超环"）创造了新的世界纪录：在1亿摄氏度高温条件下，成功实现1066秒稳态长脉冲高约束模（H-mode）等离子体运行。这一成果于2025年3月27日被列入中关村论坛发布的十大重大科技成果，标志着我国在可控核聚变领域迈出了从基础研究迈向工程实践的关键一步。

一、技术挑战与突破

1.高约束模（H-mode）的物理难题

高约束模是未来聚变堆稳态运行的核心模式，其效率比普通模式（L-mode）高50%以上。然而，H-mode下等离子体边缘的"边缘局域模（ELM）"会引发能量爆发性释放，导致材料表面热负荷骤增（最高可达20 MW/m²），严重威胁装置安全。EAST团队通过等离子体芯部与边界协同控制，结合主动冷却技术，将ELM强度降低至可容忍范围，首次实现千秒量级稳定运行。

2.工程极限的突破

温度与时间参数：在1亿摄氏度（离子温度）下维持等离子体1066秒，能量约束时间（τ_E）达到2秒以上，远超ITER设计标准（约3.8秒）。

系统集成创新：采用全超导磁体系统（磁场强度3.5特斯拉）、低杂波电流驱动（功率6 MW）和电子回旋加热（功率4 MW）的协同加热方案，解决了高功率注入与等离子体稳定性之间的矛盾。

二、关键技术突破点

1.稳态等离子体控制技术

开发了实时反馈控制系统，通过2000多个传感器和52组磁控线圈，实现等离子体位形精度误差小于5毫米，电流平顶波动控制在±1%以内。

2.先进壁材料与热管理

采用钨铜偏滤器和铍第一壁材料，结合主动水冷技术，将热负荷分散至整个装置表面，单点热流密度降至0.5 MW/m²以下。

3.诊断与实时监测

部署了汤姆逊散射诊断系统（空间分辨率1 cm）和X射线晶体谱仪，实现等离子体电子温度（Te）和密度（ne）的毫秒级动态监测，数据采样率高达10 kHz。

三、应用价值与未来规划

1.支撑ITER与CFETR建设

EAST的实验数据直接验证了ITER高约束模稳态运行的可行性，并为中国聚变工程实验堆（CFETR）的设计提供了关键参数（如β_N=2.5，H98y2=1.2）。

2.聚变能商业化进程加速

千秒量级运行证明聚变堆可满足电网基荷电力需求（连续运行≥80%时间），经济性评估显示未来聚变电站度电成本有望降至0.3元/kWh以下。

3.下一代装置研发

基于EAST经验，中国已启动CFETR工程设计，目标实现聚变功率1 GW、燃烧时间3000秒，计划2035年建成。

四、中国核聚变科研的全球贡献

专利与技术输出：EAST累计获得专利近2000项，其中32项核心技术被ITER采用，如超导线圈制造工艺和等离子体控制算法。

国际合作：15年来为全球40多个国家提供实验机时超15万次，培养国际聚变科研人员1200余名。