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“赤龙绕青云，白蛇一刀斩。号令天命归，举义擎帝剑。”相传，汉高祖刘邦手持一把名为“赤霄”的宝剑，斩白蛇、定天下，开创了华夏文明的璀璨华章——大汉王朝。
汉高祖刘邦持赤霄斩白蛇
（图片来源：汉兴源景区）
两千年后的今天，中国科学家打造了一把同样名为“赤霄”的“光剑”，深入探索核聚变能源的奥秘。2025年1月14日，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所研制的强流超导直线等离子体装置“赤霄”全面建成并开始投入运行，使得中国成为继荷兰之后第二个拥有此类高参数装置的国家。
强流超导直线等离子体装置“赤霄”
（图片来源：中国科学院合肥物质院等离子体所）
强流超导直线等离子体装置（SWORD，Superconducting plasma Wall interactiOn LineaR Device，英文缩写意为“剑”）的流线型结构宛如宝剑，寓意其能在核聚变研究领域披荆斩棘。这台装置是国家“十三五”重大科技基础设施聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）中的一颗璀璨明珠，能够模拟未来聚变堆偏滤器面临的极端环境和服役条件，为实现可控核聚变提供有力支撑。
“人造太阳”的梦想
太阳之所以能够源源不断地照耀大地，得益于其内部持续发生的核聚变反应：氢原子在高温高压下碰撞结合成氦，释放巨大能量。核聚变能量密度高、原料来源广泛、几乎无污染，在地球上开展“人造太阳”研究，为人类提供近乎无限的清洁能源，这是科学家长久以来的梦想。
氢核聚变过程示意图
（图片来源：中国核电网）
然而，在地球上实现核聚变反应的条件极为苛刻，需要达到上亿度的高温，相当于太阳核心温度的7倍以上。在这样的高温下，聚变原料由气态转换成了电子和离子组成的等离子体态，任何与其接触的材料都会损坏。因此，磁约束聚变装置中通常采用强磁场约束高温等离子体，避免其与壁材料直接接触。在中国自主研发的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）中，亿度高温等离子体被磁笼子约束在环形真空室内超过1000秒运行，是目前全球核聚变研究领域等离子体运行时间最长的世界纪录。
中国“人造太阳”EAST全超导托卡马克装置
（图片来源：中国科学院合肥物质院等离子体所）
什么是偏滤器？
在托卡马克装置中有一个关键组成部分——偏滤器（divertor），它通常位于托卡马克的底部或顶部，承担排除氦灰和杂质控制等作用。托卡马克内部磁力线不完全是封闭的，偏滤器位于托卡马克边界开放磁力线的终端，会在极短时间内承受高能逃逸粒子的沉淀能量，其表面热负荷远高于第一壁表面平均值，成为面向等离子体部件承受热负荷最高的区域。
对于核聚变反应产生的大量热量和氦灰，偏滤器能够利用磁场将其引导到一个特定的区域，使等离子体与材料的相互作用在该区域进行，避免其与内壁过度接触，从而维持更稳定的运行状态。通过特殊的结构设计，如采用靶板，使得杂质粒子在撞击到靶板等部件时被去除，防止它们返回等离子体区域，影响反应效率。
偏滤器
（图片来源：中国科学院合肥物质院等离子体所）
“赤霄光剑”横空出世
随着核聚变技术的发展，未来聚变堆中势必产生更高束流的等离子体，其对偏滤器材料的损伤仍是一个未知数。因此，我们亟需能够产生高束流等离子体的装置，用于开展等离子体与材料相互作用研究。正是在这样的背景下，“赤霄”这把“光剑”应运而生。
“赤霄”的设计采用了先进的技术手段：为了产生高束流等离子体，首先采用了大进气高功率电弧放电；其次，它使用差分抽气使得大进气条件下真空度仍然保持在较低水平；最后，它使用超导磁体将产生的高束流等离子体约束和长距离传输。另外，它的直线设计更加便于对等离子体和材料进行诊断分析和开展研究。经过团队的不断努力，“赤霄”装置成功实现了粒子流大于1024 每平方米每秒、单次稳定放电时间超过1000秒的设计目标。
“赤霄”中高束流等离子体与靶板相互作用
（图片来源：中国科学院合肥物质院等离子体所）
“赤霄”对于未来核聚变技术的发展具有举足轻重的作用：
聚变堆安全运行的守护神：偏滤器作为聚变堆中最关键且环境最为严苛的部件之一，其材料的性能直接关系到聚变堆能否长期稳定运行。“赤霄”能够模拟偏滤器所面临的极端条件和严苛环境，对材料进行测试，确保聚变堆面向等离子体部件在极端环境下仍能安全可靠。
材料科学的加速器：“赤霄”为科研人员提供了一个前所未有的实验平台，能够深入研究材料在高热流和强粒子流协同作用下的行为，实现偏滤器材料/部件辐照后的原位/离位分析，加速新材料的研发与筛选，为未来聚变堆的材料选择与部件优化提供关键可靠的数据支持。
国际合作的新窗口：“赤霄”的建成，不仅提升了我国在聚变能研究领域的国际地位，也为全球材料科学、等离子体物理等领域的学者提供了顶尖的研究平台，促进了国际间的学术交流与合作。
从能源革命的角度看，“赤霄”不仅是聚变能研究的重要工具，更是推动人类走向清洁能源新时代的钥匙。它不仅能够助力聚变堆技术的商业化进程，减少对传统化石能源的依赖，还有望在航空航天、医疗科技、环境保护等多个领域发挥重要作用，开启一个由聚变能驱动的新时代。随着科研工作的不断深入，我们有理由相信，聚变能源的梦想正逐步变为现实，为人类社会的可持续发展注入强大动力。
作者：徐倩 蔡其敏
作者单位：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所
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