托卡馬克核聚變實驗裝置east

A. EAST的EAST科研團隊

[科學時報 鄭千里 報道]繼2006年9月首次成功放電後，我國「人造太陽」實驗裝置——位於合肥的全超導非圓截面核聚變實驗裝置（EAST）1月14日23時01分至15日1時連續放電4次，單次時間長約50毫秒，從而標志著第二輪物理實驗的開始。 本報記者 保婷婷/攝
聚變曙光耀東方
一位長者，清癯，精瘦。然而，他的言辭卻讓人感受到其中的睿智與分量。2007年3月1日，為超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST在合肥進行國家工程竣工驗收的就是這位長者萬元熙。他代表EAST工程指揮部作了報告：與國外同類裝置相比，我們已建成的裝置使用資金最少、建設速度最快、自主創新最多。完全可以樂觀地預見，EAST的成功建造和運行，將為中國磁約束核聚變研究的下一步計劃奠定物理、工程技術和人才隊伍的堅實基礎！
「未來高效聚變堆必須穩態運行，因此實現托卡馬克穩態運行的工程和物理問題成為托卡馬克的前沿研究領域；全超導托卡馬克是實現穩態運行最必要的工程技術基礎之一；世界上還沒有全超導托卡馬克；我們及時向國家提出了建造先進全超導托卡馬克計劃。」 萬元熙追溯。
他的報告獲得熱烈的掌聲。蒞臨的國家發改委副主任張曉強稱EAST的建設成功，「是向和平利用聚變能邁出的重要一步，也是中國科技工作者對世界科技發展作出的重要貢獻！」
「十年磨劍終成器，聚變曙光耀東方」，中國科學院常務副院長白春禮在致詞里，更是言簡意賅地作了點題。
太陽發出的能量來自氫原子核。氫原子核相互作用，發生核聚變，釋放出光和熱。如果發明一種裝置，它不僅能承受上億攝氏度的高溫，還能控制氘和氚聚變穩定持續輸出能量，無異於發明「人造太陽」，為人類提供無限清潔的能源。受控熱核聚變反應的途徑之一，就是製造托卡馬克磁容器。科學家在該裝置上研究發現，可以把氘氚的聚變燃料加熱到幾億攝氏度的高溫區，然後發生大量聚變反應。
「稱我們的EAST是人造太陽，可能會造成公眾的曲解。EAST進行的與未來聚變堆相關的工程和物理問題的探索性實驗研究，是要為未來穩態、安全、高效先進聚變堆的物理和工程技術基礎作貢獻，但要建造在地球上的受控熱核聚變反應堆或核聚變電站，能像太陽一樣通過核聚變反應放出能量，進而實現商業化發電，那大約是50年後的事。」萬元熙實事求是地解釋。
EAST是英文Experimental Advanced Superconcting Tokamak（實驗的、先進的超導托卡馬克）的縮寫，原意「東方」。它從1998年國家批准立項到今天通過驗收，如吸收天地山川之精華，今天才噴薄於東方的地平線。中科院等離子體物理研究所的團隊通過10年頑強拼搏，正在托起和明天一樣輝煌的太陽。
萬元熙：老驥引領「新潮流」
雖然年齡68，萬元熙心態依然年輕，「我提出很多大膽的改革思路，年輕人說我不像是位老同志。我引領『新潮流』，是所里第一個貸款買車的。」
天柱山，「自己開車想上哪就上哪，多自由、多瀟灑呀！」
早年所里分房，萬元熙廢除了領導加分的老規定，根據所里未來的發展需求，把全所人員分成不同的群組，按其對所里的貢獻打分，誰分數高誰就優先挑選房子，「群眾有自己辨別是非的能力，比如李建剛所長當時還只是個小年輕，打分下來他排隊很靠前，自然就分到了房子，現在也確實證明了他是研究所的中堅力量」。
萬元熙認為骨幹隊伍的穩定和凝聚牽一發而動全身，要靠感情動人、待遇留人、事業凝人。「1995年，所里遴選出15位大家公認的學科和技術帶頭人，給他們每人發一張銀行卡，每個月打進1000元錢。當時研究所經濟拮據，造成一些人才因囊中羞澀而流失，我們採取這一措施是痛下決心。一些骨幹拿到這1000元錢，說這樣要『玩命』時在老婆孩子面前也硬氣了。」
和諧社會，應該人盡其才，才得其酬。「既然我是所長，就得對決策承擔責任。關鍵崗位上的熟練技工收入能否比研究員還高？關鍵要看他對研究所發展的貢獻。誰要吊兒郎當我也會拍桌子，當然事後我也會道歉。『上山下鄉』那年月我啥苦頭沒吃過？我與任何人都可以很好地溝通。」
「理論物理講究做事出發點不能錯，工程要為物理研究服務，不要本末倒置，因強調工程的難度而影響實驗。所有工作都要落到實處，二級項、三級項，談得再漂亮也不行，先跟我談零級項。一定要先判斷出最清晰的需求。」聽萬元熙這么「強硬」的口氣，誰能相信他是胃切除4/5，至今還留有心肌梗塞病灶的人？
「很多決策包含著風險，如果硬要給我上綱上線，可能我就犯錯誤了，若不給我上綱上線，人家就說我英明決策。」 萬元熙笑曰。
早在20多年前，萬元熙就參加過托卡馬克的國際會議，「以前我們與發達國家有很大差距，出國口袋裡沒有一點錢，根本談不上社交」。
2006年10月在成都舉行的國際聚變能會議，萬元熙作了開幕式上的第一個報告，題為Overview of Progress of EAST Project and Future Plan。按過去的慣例，這一般都是由世界上最先進的聚變研究所作報告。報告結束後大家熱烈提問，第二個提問的是美國教授Goldstone，他過去參加國際大會都會坐在第一排，都會提出非常尖銳的問題，但他這次卻站了起來說：「我建議我們全體起立，為中國的EAST熱烈鼓掌祝賀！」
在國際聚變能的類似大會上，以前還沒有發生過700多位與會代表一起，為某項科研成就的取得熱烈鼓掌，這次大家卻為EAST的成就共同鼓掌充分說明，我國科學家已成為該研究領域的VIP。
過去托卡馬克裝置多半是圓截面，但後來理論證明非圓截面的效果更好。萬元熙生平作的「最冒險」決定，就是要做全超導、非圓截面托卡馬克。「我的冒險有理論根據。一是世界上已經有模型線圈作了相關實驗，證明托卡馬克可以承受一定量的快速磁通變化；二是物理上也有其他可採用的辦法，能夠用來降低超導托卡馬克對其快速磁通變化的要求。就像是走路，如果前頭是一面牆，人肯定穿越不過，但即使前面只有一條小路，人也能夠通過，如果這面牆是紙糊的，人就很容易穿越。」
武松濤：陽光十足地「修行」
武松濤是等離子體所副所長，EAST的裝置主機負責人。「我1983年華中工學院畢業，專業是光學工程，如果始終停留在原有專業就走不到今天。大學只能是『師傅引進門』，工作上『修行』的道路更漫長，要在等離子體所干好就必須懂得聚變，到處找這方面的書自學。」
武松濤找到一本《受控熱核聚變實驗裝置概論》。油印講義因年代久遠已卷邊發毛，但扉頁上「中國科學技術大學四系」「一九七九年十二月」字樣尚清晰可辨，「不記得當時是向誰借的，它只有上本沒有下本，我得到後如獲至寶，通宵達旦地看了好幾遍。」
武松濤參與聚變實驗裝置建設是在1990年。他寫的《HT-7主機改造工程的組織、協調與管理》發表在《科研管理》上。HT-7裝置建造成功後又及時提出建造超導托卡馬克EAST裝置。「中科院希望能有年輕的科研人員參與項目，所領導到院里匯報工作有年輕人他們就高興，如果只是所領導自己，院領導就苦臉相對。我介入裝置總體設計，跟著霍裕平、萬元熙、翁佩德幾位老領導跑，他們都比我大20歲左右。我參加了院里及國家組織的幾十次項目方案論證，我作總體方案這部分報告。有關部委領導看了HT-7U（EAST原名）都說，項目本身不錯，但工程要持續那麼久能否做到後續有人？大科學工程給了我成長的機會，我感謝老同志對我的信任和培養。」
武松濤一步一個腳印走了過來。「我們腦子里已逐漸把裝置各個關鍵部件的結構清晰化，從1998年到2001年，我們每年出一本裝置設計的文集，既作為文獻把工作記錄下來，也給大家增加點壓力，思考未來的發展戰略。文集的序言都是我自己寫。」
聽說用2000萬美元就要建造全超導核聚變裝置，國外沒人相信，國內質疑的聲音也不絕於耳。每次方案匯報和論證都像是舌戰群儒，就是在這樣的不斷磨礪中，武松濤得到了鍛煉成長。
武松濤巧妙地藉助國際合作平台，為承擔EAST接著搞「熱身」。為合作夥伴美國得克薩斯大學核聚變研究中心設計製造新型等離子體物理實驗裝置，他帶領五人的一個小組，前後用了兩年時間，圓滿完成了經費125萬美元的合作項目。「這是我國首次以技術方式向發達國家輸出托卡馬克聚變系統。美國能源部對這一成功合作也很滿意，稱它是中美核聚變合作的新型的方式。它也是迄今為止中美聚變界最大的國際合作項目，對提高我們的自信心起到很大作用。」
2002年12月，武松濤因為一天到晚不停地工作，突然嗓子疼得厲害，幾天之後乾脆成了「啞巴」，醫生診斷患了急性扁桃體炎，要他立即住院動手術。那時EAST正處於建設的關鍵期，他除了到醫院打點滴，每天照常上班。無可奈何的醫生只好在他病歷上作了「病人拒絕住院」的記錄。
「這在我們團隊根本算不了什麼。『保證星期六不休息，星期天休息不保證』是我們不成文的作息守則。」武松濤說，「平時我總給人很陽光的感覺，但記得EAST立項一年多時，有一次我召集每周一次的全體例會，因為項目推進得很慢而帶來壓力，我忍不住說：如果項目延緩進度或者出了差錯，我們不但愧對前輩，也愧對國家！當時我不由自主地哽咽了。大家好幾分鍾不說話，都感到我的動情之處，會後對我說，他們能體會我的壓力，大家會同舟共濟。」
2006年9月28日，EAST首次成功獲得高溫等離子體放電向媒體開放，李建剛所長找了武松濤一下午，想把他推向「前台」接受采訪，但武松濤卻如同「蒸發」了一般，「我在辦公室，把衣服疊作枕頭就躺在沙發上睡著了。從吃午飯後一直睡到傍晚。我將手機關掉，哪裡也不想去」。
「大學同學畢業後曾聚會過兩次，他們大多都已改行，其中經商的居多，目前還在搞科研的除我之外可能僅有一位同學。同學聚會問我怎麼搞到聚變工程上來，還調侃說我是最有可能當院士的人。」武松濤笑了笑說：「眾所周知，大科學裝置的建造周期一般都很長，如果一個人耐不住寂寞，幹不了那麼長時間，就像跑馬拉松運動員沒有毅力似的，中途就會自行被淘汰出局。」
潘皖江：關乎「大腦毛細血管」
在EAST團隊中，潘皖江主要負責裝置絕緣結構的設計以及絕緣子的研製。
武松濤等早年在外國參觀過托卡馬克的絕緣子，但外國根本不願意透露研製技術，每個絕緣子報價高達1400~1600美金，如果EAST需要600個絕緣子，就意味著僅此一項的花費就需要約90萬美金。
1997年夏天，由武松濤出面游說，校友潘皖江就被趕上了架。潘皖江1989年華中工學院金屬材料及熱處理專業畢業，在等離子體所研製中心工作的幾年裡，也參與過一些絕緣材料的研製。
從俄羅斯T-7上拆卸的絕緣子，陶瓷材料不符合EAST裝置的要求，他們想在國內尋找合作夥伴做絕緣材料，但相關單位不是因為工藝不能解決，就是因為經濟效益的考慮，都不願揀超導體絕緣材料這個「燙手的山芋」。當時31歲的潘皖江雖然還缺乏歷練，但逼上樑山，只好自己做復合材料。
「高大明老師去國外訪問時拿回一個樣品，我們把它當寶貝似的，小心翼翼地不敢動，充其量是用X光為其拍照，但後來測試出它是壞的。詢問外國的絕緣子價格，不僅貴得嚇人，還不讓測試性能。」
萬元熙打過一個形象的比方，EAST里用的絕緣子就相當於人體大腦的毛細血管，哪怕其中一個毛細血管破裂，人可能就會腦癱瘓。所以，600多個絕緣子都要嚴格要求質量、嚴格加以測試。
「絕緣子前後研發了3年，自己做了兩年。我們只能自力更生，在實踐中摸索著干。」潘皖江輕描淡寫地，一句話就帶過了10年的歷史。
潘皖江原創的「金點子」，是提出「液態樹脂低溫氦密封電流引線」的辦法。
EAST在2006年初第一次調試，所有引線都發現電流引線外漏的情況。問題如不及時解決，可能導致超導磁體損毀，從而導致整個裝置失效。萬元熙和武松濤認為潘皖江提出的想法很新穎，值得嘗試。從下午五點鍾開始做，到七點半就出效果，從根本上解決了EAST的真空問題。「其他人可能受所學專業局限，想用強度很高的材料將外頭的引線固化住，我是求異思維。」潘皖江還是輕描淡寫，「後來開總結大會，萬元熙總經理說我的主意不錯，應該『重獎』，給了我1500元的額外獎勵。」
EAST第二次調試低溫超導出現了內漏，大家又想到了潘皖江。他採用真空管，兩天就解決了問題。
在EAST的工作中，潘皖江等人摸索出的一些新工藝、新方法都在申請專利之中，「很多人在跟蹤我們的技術。我們研製絕緣子的成功率也很高，對外說我們的成功率達到90%，人家一般不相信，怎麼可能那麼高呢？我還沒好意思跟他們說，我們的成功率甚至高達99%呢！」
高大明：抓質量就是「摳問題」
EAST的主要構成部分是超導磁體，為了節省項目經費，本來已和美國的一個科研機構商談提供超導或電纜，但因李文和事件的突發使得這一合作可能中斷。考慮到蘇聯因為解體，大加速器項目暫時擱淺，於是合作的指向自然掉轉到俄羅斯。主管設計的副總經理翁佩德與俄羅斯聯系，對方說倉庫里有很多超導股線，但是放置的時間很長了，性能究竟怎麼樣不好說，但可以便宜點賣。
「柳暗花明又一村」，讓大家眼前一亮。時值2001年春節前夕，所里趕緊組織8個人兵分兩路，一路由陳灼民帶隊，一路由高大明帶隊。
陳灼民等人在塵封的倉庫里，除了要把所有超導股線一團一團地全部倒出，還要測試每團線的3R性能。超導絲團和車輪子差不多大，他們足足折騰了三四個月，總算挑出4500多根、20噸參數能匹配的超導股線。最後，高大明坐鎮指揮另一路兵馬，在電纜研究所將這些超導股線絞纜。運回國內的成型電纜都是600多米長，最終用較少的錢買回了EAST重要的也是合格的材料。
此前，高大明和EAST研究中心主任陳思躍考察俄羅斯電纜所發現，該所雖然生產過800米的銅纜，但僅僅是驗證工藝，從來沒有連續、滿負荷地生產過批量的超導導體。由於穿管導體內部充滿液氦才能實現超導，必須對套管焊縫質量提出嚴格要求。超導導體的鋼管焊接需要很好的技術，沒有焊透不行，若焊得太透鋼管就會鼓出一團，按什麼標准來控制呢？高大明來回摳問題，總算得到一些比較關鍵的技術標准。
2001年8月26日，600米穿管超導導體（CICC）生產線建成，並成功生產出第一根銅纜導體。EAST所有超導磁體需要的導體都由這條生產線生產。從俄羅斯高能所購買的0.85毫米直徑的超導股線，按照設計絞製成直徑約20毫米的超導電纜，在這條生產線上穿入用特種高強度不銹鋼管焊接成的長達600米的套管。
在總工藝師高大明指導下建成的CICC生產線，為EAST的超導磁體繞制、超導磁體實驗等奠定了基礎。
「嚴格管理是我們團隊的特點。搞大科學工程本身就有很大風險，必須建立嚴格的質量管理體系。ISO9000標準的核心就是要文件化，實行過程式控制制，防患於未然。2000年底我們終於建成了EAST的質量管理體系。」高大明說。
高大明1978年從東北第一機械廠調來，「那時正是『科學的春天』，受我們這個年齡段的人的理想主義教育影響，我就想扎扎實實為國家作貢獻。搞大科學工程不像是在居里夫人時代，兩三個人在地下室晃一晃化學瓶子，或許就可以搞出成果，我們EAST團隊最注重的是團結協作。」高大明介紹說，「現在參加國際ITER計劃，因為我們有全過程搞超導托卡馬克裝置的經驗和技術積累，在國際舞台上說話的聲音也響亮了。」
「我們的學生在國外，別人問起EAST怎麼做，他完全可以應答如流。過去發達國家與我們合作純粹是為了省點加工費用，現在我們EAST的整套經驗對它們有用。」高大明打了個比喻，「這就像一位研究生雖然考試只七八十分，但和一位小學生考試得一百分，水平肯定不在一個檔次。」
吳傑峰：施工現場「魂牽夢繞」
在俄羅斯轉移的T-7上作物理實驗，必須作許多技術改造。如它要多開窗口，才能實現ECRH、離子迴旋等輔助加熱；要了解等離子體的參數，必須要有相應的診斷窗口、實現抽真空的抽氣窗口。總共要開100多個窗口。
吳傑峰1988年7月華中理工大學機械工程系畢業，就被分配到等離子體所的研製中心，他早年當過焊接項目負責人，現為研製中心主任。「真空室窗口原來只有12個，要改造到48個。管道共有3000個接頭需要焊接，有一個產生漏焊、虛焊都非常可怕，氦氣就可能跑到真空里，使外杜瓦變成大冰塊。為把好質量關，我經常要鑽進真空室，744毫米的直徑，操作的焊工在這狹小的空間里頭，無論仰焊、側焊、橫焊，都比較困難。」
超導線圈繞制是全新課題，高大明1998年帶著吳傑峰等出國考察線圈繞控，1999年就自主研發出了「替代材料管內電纜導體」，接著繞制出D型線圈。「鎧裝導體的無張力連繞技術」獲得了發明專利，繞線機獲得了新型設計專利。
2002年2月做出第一條真正的超導導體，2003年8月做完58根、總共34公里的鎧裝電纜導體，「我們在現場抓質量和進度，最初40天做成一根導體，後來5天就能做成一根，一是技術操作大家已經熟練，二是批量生產採用了計件式的管理。一年半做完全部58根導體，是目前在國際上做得最多、速度也最快的。」
做EAST的超導磁體非能等閑視之。首先要建特種繞線車間、絕緣子真空壓力浸漬車間等。研製中心進行了諸多技術集成和工藝上的探索。超導磁體34公里共3500多個接頭，研製中心一次焊接合格率達到98%，超過了一級焊縫的標准。「從確保質量考慮，我們每次焊前都要試焊3次，連剛換了瓶氣體也要先試焊3次。」
低溫容器的密封度要求高，研製中心採用了內窺鏡、滲透、超聲等6種檢測技術，「容器絕對不能出現泄漏。我們能想到的檢測方法基本都採用了，只要一個方法未通過就得重來。因為哪怕一個焊頭出問題，就可能陷入和別國的托卡馬克一樣尷尬的情況：真空上不去，低溫下不來」 。
吳傑峰說，「檢測出了某些問題，無論是我還是焊接的工人，睡覺都不踏實，可能睡夢中會突然翻身起來，說：哦，問題是不是出在那裡！就趕緊披衣從家裡跑到現場。」
白紅宇：科研路上的感情「流量」
EAST有兩個大規模低溫超導磁體系統，超導線圈有好幾個流體通道，必須通過控制保證其流量的分配。超導磁體要在4.5K下運行，低溫製冷系統是冷卻超導磁體及保證磁體運行在工作溫度不可或缺的子系統。該系統不僅體積龐大，而且工藝技術復雜，「委託國外公司製造不僅時間周期較長，而且報價也相當昂貴，我們只好自己動手做」。白紅宇說。
白紅宇「自己動手做」做得非常好。「低溫流量計先是買了個美國的，發現用它測量數據並不準，我們也自己動手做出來。」
在EAST的低溫下傳統流量計已經「失靈」，也可以用超聲波的辦法做，但先前國內沒有人做過，誰要做就要有條件去標定它。「因為EAST用的是循環的氦，在這樣條件下的流量計用戶太少，企業從經濟效益考慮認為得不償失，也就不願意做。我們自己做出來，不但可以做些對比，還可以標定，做出來非常准確。現也有用戶提出要我們為他們做這種低溫流量計。」
白紅宇1993年西安交大低溫工程專業畢業，1997年考上在職研究生後剛上了一年，研究所聯繫到去德國進修低溫超導的機會，就把白紅宇作為「馬普學者」派去。
正好趕上德國大型超導聚變實驗裝置的模型線圈測試，「本來我去那裡可以專門學習德語，但我想參加裝置測試的機會更難得，就放棄了」。「我從德國回來，是把德國的1.2千瓦製冷機經改造後用於EAST，還是自己研發大型製冷系統，大家最初有爭議，我認為1.2千瓦的『小馬』拉不了EAST『大車』，堅持要自己做製冷機。先是做到1.5千瓦，後來做到了2.4千瓦」。
除了要把製冷機做好，還要做好冷卻對象，迴路設計還要考慮到合理設計液氦流量。白紅宇經過對國內外的多方考察，確定膨脹機從國外買；壓縮機用國產的；換熱器通過國內的招標，從3個生產廠家中尋找最優化的設計和價格。2.4千瓦的製冷系統最終只花了2000萬元。
「全部交給國外做肯定要多花錢。現在我們這樣做雖然成功了，但當時卻冒了很大的風險和壓力。特別是去年初對裝置的降溫實驗，畢竟是第一次調試，低溫系統涉及到的問題實在太多，大家對裝置的性能也不熟悉。好在這一切我們都挺過來了。」
大學剛畢業時，白紅宇還未曾聽說家鄉湖南鼎鼎大名的遠大空調，「遠大空調是後來才起步並且做普冷的。我們那屆低溫班的30多位同學畢業，後來真正從事低溫的只有幾個，很多同學都轉到了空調方面。我和同學之間聯系不多，一是合肥比較偏僻，二是我天性專注於搞研究，不太擅長交際。雖然北京、上海對人才有很大吸引力，但像EAST這么大的項目，才是適合我搞科研的大平台。我從2000年正式參加，到2006年EAST調試實驗成功，我非常慶幸自己有機會參與，而且從頭做到尾。」
正是這些獻身科學的人們，托起了明天輝煌的太陽！

B. 超導托卡馬克裝置的EAST

為了在近堆芯的高參數條件下研究等離子體的穩態和先進運行，深入探索實現聚變能源的工程、物理問題，等離子體所在成功建設中國第一個超導托卡馬克HT-7的基礎上，提出了「HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設」計劃。為使國內外專家易於發音、便於記憶同時又有確切的科學含義，項目的名稱在2003年10月正式由HT-7U改為EAST。EAST由實驗「Experimental」、先進「Advanced」、超導「Superconcting」、托卡馬克「Tokamak」四個單詞首字母拼寫而成，它的中文意思是「先進實驗超導托卡馬克」，同時具有「東方」的含意。EAST裝置是我國自行設計研製的國際首個全超導托卡馬克裝置（右圖），其主要技術特點和指標是：16個大型「D」形超導縱場磁體將產生縱場強度 BT = 3.5 T ；12個大型極向場超導磁體可以提供磁通變化 ΔФ ≥ 10 伏秒；通過這些極向場超導磁體，將能產生 ≥ 100萬安培的等離子體電流；持續時間將達到1000秒，在高功率加熱下溫度將超過一億度。
EAST裝置的主機部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成。其實驗運行需要有大規模低溫氦製冷、大型高功率脈沖電源及其迴路、大型超導體測試、大型計算機控制和數據採集處理、兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱、大型超高真空、以及多種先進診斷測量等系統支撐。學科涉及面廣，技術難度大，許多關鍵技術目前在國際上尚無經驗借鑒。特別是EAST運行需要超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫、超高真空等極限環境，從芯部上億度高溫到線圈中零下269度低溫，給裝置的設計、製造工藝和材料方面提出了超乎尋常的要求。EAST的建造具有十分重大的科學意義，它不僅是一個全超導托卡馬克（左圖為托卡馬克示意圖），而且具有會改善等離子體約束狀況的大拉長非圓截面的等離子體位形，它的建成將使我國成為世界上少數幾個擁有這種類型超導托卡馬克裝置的國家，使我國磁約束核聚變研究進入世界前沿。在裝置建成後的10-15年期間，能在裝置上對建造穩態先進的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實驗研究，並使中國在人類開發清潔而又無限的核聚變能的領域內做出自己應有的重大貢獻。
EAST的大小半徑雖然只有國際熱核聚變試驗堆（即ITER）的1/3和1/4（右圖為ITER示意圖），但位形與ITER相似且更加靈活 ，而且將比ITER早10-15年投入運行。EAST是一個近堆芯高參數和穩態先進等離子體運行科學問題的重要實驗平台，它將是在ITER之前國際上最重要的穩態偏濾器托卡馬克物理實驗基地。

C. 熱核聚變，托卡馬克裝置

托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克版的內部會產生巨權大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

D. 「人造太陽」東方超環再創新紀錄，我國的東方超環到底多厲害

有「人造太陽」之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST東方超環）在本月初，已經開啟了新一輪的實驗。此次實驗建立在對上一輪實驗結果的總結以及對 EAST 輔助加熱等系統升級改造的基礎之上，目標是讓「人造太陽」向著更「熱」更「持久」發起沖擊。

我們擁有一個共同的夢想，那就是尋求一種無限而清潔的能源，從而實現人類的永續發展。如果說「誇父追日」是古人戰勝自然的美好願望，那麼東方超環則代表了今人把夢想變為現實的努力。

EAST是由國家發改委批准立項的「九五」國家重大科技基礎設施。中國聚變工程實驗堆目前已完成工程設計，聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施正在建設。按照中國核聚變「三步走」的規劃，中國極有可能成為世界首個建成核聚變實驗電站的國家。

E. 我國"人造太陽"創世界紀錄，終極能源越來越觸手可及

月初，我國的超導托卡馬克實驗裝置（EAST）在全球首次實現了 101.2 秒的穩態高約束運行模式，創造了新的世界紀錄。

這一重要突破，標志著我國磁約束聚變研究在穩態運行的物理和工程方面，將繼續引領國際前沿，對國際熱核聚變實驗堆（ITER）和未來中國聚變工程實驗堆（CFETR）建設和運行具有重大的科學意義。

利用磁場對等離子進行約束的托卡馬克裝置

與此同時，我國下一代核聚變裝置——中國聚變工程試驗堆（CFETR）已於 2011 年開始進行設計研究。在過去的幾年裡，項目集中了我國磁約束聚變研究的骨幹力量，形成目標明確的國家隊。

同時，該項目推動了廣泛國際合作，世界聚變研究發達國家美國、德國、法國、義大利等已經全面參與 CFETR 的設計，俄羅斯同行也表示未來更加深入參與 CFETR 計劃。

F. 什麼是「非圓截面全超導托卡馬克——EAST實驗裝置。(即「人造太陽」)」謝謝

幾乎完美的能源 人造太陽：難度超乎想像(圖)

進入3月，全球數千名從事核聚變研究的物理學家都在等待一份來自安徽合肥的實驗報告。他們希望中國同行帶來好消息，從而增強他們在不久的將來投入ITER(國際熱核實驗反應堆)建設的信心。

這個實驗，是對一個類似ITER核心裝置的大型設備進行聯合調試，以確定其是否能正常運轉。在實驗所在地中國科學院等離子體物理研究所，它被稱為「先進超導托卡馬克實驗裝置(英文縮寫為EAST)」。

50年來，在地球上模擬太陽內部的核聚變反應，並把產生的驚人能量穩定地輸送到電站，一直是人類未能實現的夢想。但一些物理學家相信，這一天肯定會來臨。他們希望通過ITER計劃向持懷疑態度的政治家和科學家證明，核聚變是一種可行的能源來源。

正因為如此，EAST實驗似乎「根本承擔不起失敗」，這讓聚集在合肥的100名核聚變專家和工程技術人員深感壓力。

幾乎完美的能源

核聚變是能源危機的終結者嗎？一些物理學家對此堅信不疑。

3月2日，一位負責給EAST降溫的工程師就認為，聚變能是今後能夠大規模甚至一勞永逸地解決人類能源問題的惟一途徑。

「站在懸崖的邊緣，我們只能再造一個『太陽』，別無選擇。」他說。

100年前，愛因斯坦預見了在原子核中蘊藏著巨大的能量。依據他提出的質能方程E＝mc2，核聚變的原理看上去極其簡單：兩個輕核在一定條件下聚合成一個較重核，但反應後質量有一定虧損，將釋放出巨大的能量。

1939年，美國物理學家貝特證實，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞，結合成一個氦原子核，並釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發現揭示了太陽「燃燒」的奧秘。

實際上，太陽上的聚變反應已經持續了50億年。在宇宙中的其他恆星上，也幾乎都在燃燒著氫的同位素———氘和氚。

而氘在自然界中幾乎「取之不盡」。科學家初步估計，地球上的海水中蘊藏了大約40萬億噸氘。從1升海水裡提取的氘，在完全的聚變反應中所釋放的能量，相當於燃燒300升汽油。如果把自然界中的氘用於聚變反應，釋放的能量足夠人類使用100億年。

在實驗室中，聚變反應的優點被不斷發現——它產生的能量是核裂變的7倍，反應產物是無放射性污染的氦。更完美的是，未來的聚變電站會始終處於次臨界安全運行狀態，一旦出現意外，反應會自動停止，不會發生像三哩島和切爾諾貝利那樣的核泄漏事故。

1952年美國試爆了第一顆氫彈，促使科學家考慮如何控制核聚變反應在瞬間爆發的毀滅性能量，「人造太陽」之夢由此而始。

此後，石油、煤炭等化石能源日益枯竭，能源危機和溫室效應步步逼近，獲取新型能源已經變得十分迫切。雖然風能、水能、太陽能等可再生能源不斷地被開發利用，但很難想像，它們能夠完全替代傳統能源。

超乎想像的難度

接下來的50年裡，再造「太陽」的難度超出了所有科學家的預計。

馬里蘭大學的物理學家William Dorland在接受《自然》雜志采訪時感嘆，核聚變之所以進展緩慢，是因為「我們對等離子體的不穩定性和紊亂性知之甚少」。

由於存在巨大的引力場，在太陽核心1500萬攝氏度、表面6000攝氏度的條件下均可輕松進行聚變反應。如果不需要控制能量輸出，在地面製造核聚變也不是棘手的難題：氫彈就是把原子彈當「火柴」，來「點燃煤球」。

但要實現可控，過程則極為艱難。

科學家首先要把反應燃料加熱到10萬攝氏度，成為等離子體，即電子獲得一定的能量擺脫原子核的束縛，原子核能夠完全裸露出來，為碰撞做准備。然後他們要把這些等離子體繼續加熱到上億度，使原子核擁有足夠的動能克服庫侖斥力，聚合在一起。

為了避免在瞬間產生巨大的能量，等離子體的密度必須維持在合適的水平。

做到了這一步，還沒有真正實現可控。這些上億度的等離子體，還必須在足夠長的時間里「老實地呆在容器里」，使聚變反應穩定持續地進行，「不能以每秒超過1000公里的速度亂跑，也不能碰到容器的內壁」。

一個難題是，用什麼來裝1億度高溫的等離子體？

前蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念，期望用「無形的河床來約束河水」———環行磁場。在磁場中，帶正電的原子核會沿著磁力線做螺旋式運動。此外，高功率的激光束也被用來充當「魔瓶」。

盡管科學家突破了一個又一個障礙，但距離「太陽」的光芒依然遙遠。

中國科學院等離子體物理研究所研究員邱勵儉說，要讓「魔瓶」亮起來，必須同時解決超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫等極限環境，牽涉真空、磁場、控制、等離子體、原子核等諸多領域的科學和技術難題。

而這「需要全世界最好的科學家和工程師一起合作，需要數國財力的共同支持」。

樂觀的估計

於是，ITER計劃應運而生。

1985年11月，美國和前蘇聯倡議在國際原子能機構框架下，由美國、前蘇聯、日本和歐洲共同體四方參與，建設國際熱核實驗反應堆。第一個設計方案是於2010年建成一個實驗堆，實現1500兆瓦功率輸出，造價約需100億美元。

這個雄心勃勃的國際大科學工程，自出生之日便命途多舛。

由於當時的石油價格僅10多美元一桶，能源危機並未顯現，加上前蘇聯的解體和美國的退出，這個方案以及隨後「縮小版」的新方案一度擱淺。

ITER的推遲，為中國、韓國和印度等國家提供了一個「呼吸的空間」。我國在2002年表示有興趣參加ITER計劃，並在2003年成為ITER談判過程中的正式成員。

中國ITER專家委員會的一位委員說，因為對能源的迫切需求，中國才不惜血本加入ITER。根據合同，中國要承擔整個項目100億美元中10％，投入可謂史無前例。

隨後，美國宣布重返ITER，韓國和印度也先後加入。2005年6月28日，在一片爭吵聲中，ITER的建設地點最終落在法國南部的卡達拉舍。

政治角逐結束，科學家們走向前台，他們期望這個地球上最昂貴的科學設備能帶來新能源的曙光。「畢竟，我們有了場地，可以做實驗了。」哥倫比亞大學物理學家Gerald Navratil說。

但是，ITER只是一個實驗堆，離發電依然十分遙遠。如果獲得成功，它的下一步是建造商業示範堆，目的是驗證商業可行性；最後還要建造商業運行堆，以驗證經濟可行性。

「完成這些過程可能還需要50年。」中國科學院等離子體物理研究所所長李建剛強調。他樂觀地估計，「人造太陽」的出現，不會超過100年。

東方的曙光

在2005年7月21日出版的《自然》雜志上，來自英國原子能研究部門的物理學家David Ward打了一個賭。「我願意和你賭100美元，別的核聚變裝置會比ITER更先開始工作。」他說，「在歐洲，我們對聚變反應的前景很樂觀。」

位於中國合肥的EAST就有可能是這樣一個裝置。

3月7日，EAST進入降溫實驗的第18天，邱勵儉在工程日誌上記下了一個數字。他說，在這個數字的低溫下，EAST的超導線圈進入超導態，此次實驗最重要的一個目標已經達到。

他們計劃在今年7月份前後進行首次放電實驗。

1954年，前蘇聯設計成功托卡馬克(意為環行真空磁線圈)裝置。此後，全世界建造了上百個托卡馬克裝置。其中，歐洲聯合環(JET)在1991年11月將氘氚混合燃料加熱到了3億攝氏度，獲得1分鍾的等離子體放電。

但是在強電流作用下，常規托卡馬克的磁線圈同樣會發熱。為了解決這個難題，科學家將超導技術成功應用於磁線圈，建成超導托卡馬克。

邱勵儉介紹，目前世界上的超導托卡馬克，只有法國的Tore－Supra和中國的HT－7能正常運行。

HT－7是前蘇聯贈送給中國的一套實驗裝置，經過中國科學家的改進，它在2005年12月14日獲得了1000萬攝氏度、持續306秒的等離子體放電。這個結果，離法國的Tore－Supra只有一步之遙。

幾年前，中科院等粒子體物理研究的專家們開始設計更先進的EAST，這是一個高5米、內直徑7.62米、重達400多噸的龐然大物。作為世界上第一個全超導托卡馬克，它與ITER的核心裝置非常接近。專家們為此花費了6年時間，前後投入經費達3億元人民幣。

「一旦它運行成功，能夠為未來降低ITER的風險提供十分寶貴的經驗。」李建剛說。

http://news3.xinhuanet.com/st/2006-03/10/content_4283992.htm

G. 世界上首個全超導托卡馬克核聚變裝置是什麼

世界上首個全超導托卡馬克核聚變裝置是EAST。

全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），有「人造太陽」之稱。其運行原理就是在裝置的真空室內加入少量氫的同位素氘或氚，通過類似變壓器的原理使其產生等離子體。然後提高其密度、溫度使其發生聚變反應，反應過程中會產生巨大的能量。

2006年9月28日，世界上首個全超導非圓截面升吵托卡馬克核聚變實驗裝置首輪物理放電實驗取得成功，標志著中國站在了世界核聚變研究的前端。2016年2月，中國EAST物理實驗獲重大突破，實現在國際上電子溫度達到5000萬度持續時間最長的等離子體放電。2018年11月12日，從中科院合肥物質科學研究院獲悉，EAST實現1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破。

基本原理

核能是能源家族的新成員，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。裂變能是重金屬元素的核子通過裂變而釋放的巨大能量，受控核裂變技術的發展已使裂變能的應用實現了商用化，如核（裂變）電站。

裂變需要的鈾等重金屬元素在地球上含量稀少，而且常規裂變反應堆會產生放射性較強的核廢料，這些因素限制了裂變能的發展。聚變能是兩個慎孝較輕的原子核聚合為一個較重的原子核並釋放出的能量，目前開展的受控核聚變研究正是致力於實現聚變能的和平利用。其實，寬笑稿人類已經實現了氘氚核聚變—氫彈爆炸，但那是不可控制的瞬間能量釋放，人類更需要受控核聚變。

以上內容參考：網路—全超導托卡馬克核聚變實驗裝置