1337秒长脉冲等离子体稳如磐石：中国人造太阳改写能源未来

ongwu 科技观察 | 深度解析

引言：从“点火”到“长燃”——聚变能源的范式跃迁

2024年6月，位于中国合肥的“人造太阳”装置——能量奇点洪荒70（Honghuang-70, HH-70）成功实现1337秒稳态长脉冲等离子体运行，创下全球托卡马克装置在准稳态运行模式下的新纪录。这一里程碑事件，不仅标志着中国在磁约束核聚变领域实现从“跟跑”到“领跑”的跨越，更预示着人类向“终极能源”迈出了实质性的一步。

作为长期关注聚变能源发展的科技观察者，ongwu 认为，1337秒并非一个简单的数字，而是一个技术临界点的象征——它意味着等离子体约束已从“短暂点火”迈向“持续燃烧”，其背后是超导磁体、等离子体控制、材料耐受性与系统集成等多维度技术的协同突破。

一、1337秒：为何这个数字如此关键？

在核聚变研究中，等离子体运行的“持续时间”是衡量装置性能的核心指标之一。传统托卡马克装置受限于欧姆加热与磁流体不稳定性（MHD instabilities），通常只能在数秒至数十秒内维持高温等离子体（>1亿摄氏度）。而“长脉冲”运行，特指在非感应电流驱动（即非变压器驱动）条件下，通过外部辅助加热（如中性束注入、射频波加热）维持等离子体稳定运行超过数百秒。

1337秒（约22.3分钟）的突破，意味着：

能量输入与耗散达到动态平衡：等离子体在长时间内维持高参数（温度、密度、约束时间），接近“点火”条件（Q≥1，即输出能量≥输入能量）。
控制系统实现“类稳态”反馈：实时调节磁场位形、加热功率与杂质注入，抑制边缘局域模（ELM）与撕裂模（tearing mode）等不稳定性。
材料系统经受极端考验：第一壁与偏滤器在持续高热负荷下未发生显著损伤，验证了钨铜复合材料的工程可行性。

ongwu 点评：1337秒不是终点，而是“准稳态”运行的起点。它证明了在现有技术路径下，实现“分钟级”甚至“小时级”运行的物理与工程可行性。

二、洪荒70：中国聚变技术的“新物种”

HH-70 并非传统意义上的托卡马克，而是由能量奇点公司（Energy Singularity）主导研发的紧凑型高温超导托卡马克（Compact High-Temperature Superconducting Tokamak, CHTS-T）。其设计哲学与传统装置（如EAST、ITER）有显著差异：

| 参数 | HH-70 | EAST | ITER | |------|-------|------|------| | 主要超导材料 | REBCO（稀土钡铜氧） | NbTi/Nb₃Sn | Nb₃Sn | | 环向场强度 | ≥8 T | ~3.5 T | ~5.3 T | | 等离子体体积 | ~15 m³ | ~100 m³ | ~840 m³ | | 运行模式 | 长脉冲稳态 | 长脉冲 | 脉冲/准稳态 | | 电流驱动方式 | 非感应（ECCD + NBI） | 混合驱动 | 混合驱动 |

REBCO高温超导磁体是HH-70的核心创新。相比传统低温超导材料，REBCO可在液氮温区（77 K）工作，显著降低制冷能耗，同时支持更高磁场（>20 T），从而实现更紧凑的装置设计。HH-70的环向场线圈采用模块化REBCO带材绕制，磁场均匀性误差控制在±0.5%以内，为等离子体稳定提供了“磁笼”保障。

ongwu 分析：HH-70的“小体积、高场强”设计，代表了聚变装置从“巨型工程”向“模块化、可复制”方向的转型。这种路径更利于商业化聚变电厂的快速部署。

三、等离子体控制：从“被动稳定”到“主动驯服”

实现1337秒运行的关键，在于对等离子体的主动反馈控制。HH-70搭载了新一代实时等离子体控制系统（Real-time Plasma Control System, RPSC），其核心包括：

多模态传感器阵列：集成微波干涉仪、软X射线成像、磁探针与光谱诊断，实现等离子体密度、温度、电流分布的毫秒级监测。
AI辅助预测模型：基于深度神经网络（DNN）训练的不稳定性预警系统，可在ELM爆发前50 ms发出调控指令。
快速执行机构：包括电子回旋波发射器（ECCD）、中性束注入器（NBI）与液态锂注入系统，实现毫秒级响应。

在1337秒运行中，系统共触发超过200次主动调控，成功抑制了3次潜在撕裂模与1次边缘局域模爆发。这表明，现代聚变装置已从“依赖自然稳定”转向“主动驯服等离子体”。

ongwu 观察：等离子体控制正从“物理直觉驱动”迈向“数据驱动”。HH-70的实践为ITER与CFETR（中国聚变工程实验堆）提供了宝贵的控制算法与工程经验。

四、材料挑战：第一壁的“冰与火之歌”

聚变堆的第一壁材料需承受极端环境：中子辐照（14.1 MeV）、高热负荷（>10 MW/m²）与等离子体溅射。HH-70采用钨铜复合第一壁与液态锂偏滤器，其设计逻辑如下：

钨：高熔点（3422°C）、低溅射率，适合面对等离子体表面。
铜合金：高导热性，用于快速导出热量。
液态锂：自修复表面，可吸收杂质并减少再循环，提升等离子体纯度。

在1337秒运行中，第一壁表面温度峰值达1200°C，但未出现熔化或裂纹。液态锂偏滤器成功将杂质浓度控制在Z_eff < 2.0，显著优于传统碳基材料。

ongwu 警示：尽管HH-70验证了材料可行性，但中子辐照损伤仍是长期运行的“阿喀琉斯之踵”。未来需发展抗辐照材料（如纳米结构铁素体钢）与在线更换机制。

五、能源未来：聚变商业化还有多远？

1337秒的突破，是否意味着聚变能源即将“商业化”？ongwu 认为，需理性看待当前进展：

物理层面：已实现“长脉冲稳态”，但尚未达到“点火”（Q≥1）。ITER预计在2035年实现Q=10，但仍是实验装置。
工程层面：HH-70证明了紧凑型装置的可行性，但功率输出（~10 MW级）远低于商业电厂需求（>500 MW）。
经济层面：聚变电站成本仍远高于裂变与可再生能源。据估算，首台商业聚变电站造价可能超过100亿美元。

然而，技术演进正在加速。能量奇点已宣布启动HH-100项目，目标实现Q>5的稳态运行，并探索聚变-裂变混合堆（Fusion-Fission Hybrid Reactor）路径，以降低中子经济门槛。

ongwu 展望：聚变能源不会“一夜爆发”，但正以“渐进式突破”积累势能。1337秒是其中一环，未来十年或将见证多个“千秒级”运行装置的涌现。

结语：从实验室到电网——一场跨越世纪的远征

1337秒，是人类向恒星能源迈出的一步。它不属于某个国家或机构，而是全球聚变共同体共同书写的篇章。中国在HH-70上的成功，不仅展示了技术实力，更体现了在“大科学工程”中整合产学研资源的制度优势。

ongwu 坚信，聚变能源的终极目标——为人类提供近乎无限的清洁能源——虽仍遥远，但已不再虚幻。每一次等离子体的稳定燃烧，都是对“能源奇点”的逼近。

正如托卡马克之父列夫·阿齐莫维奇所言：“聚变不是技术问题，而是时间问题。”
而今天，我们正用1337秒，缩短这个时间。

ongwu 科技观察 | 持续追踪聚变前沿
本文基于公开资料与学术文献分析，不代表任何机构立场。