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，合新闻专访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，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。
EAST。邱少林/摄（安徽图片网）
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：不能让它直接碰到任何东西。
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，一台“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，大约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？
如果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。
紧凑型聚变能实验装置（BEST）园区项目。方好/摄（安徽图片网）
“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。对于一个越来越依赖电力的社会而言，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今天的合肥。
聚变园区。丁跃梅/摄（安徽图片网）
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。此后二十年，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，时间不到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。
合新闻
记者：王书浒
编辑：吴笑笑
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