托卡马克核聚变实验装置east

A. EAST的EAST科研团队

[科学时报 郑千里 报道]继2006年9月首次成功放电后，我国“人造太阳”实验装置——位于合肥的全超导非圆截面核聚变实验装置（EAST）1月14日23时01分至15日1时连续放电4次，单次时间长约50毫秒，从而标志着第二轮物理实验的开始。 本报记者 保婷婷/摄
聚变曙光耀东方
一位长者，清癯，精瘦。然而，他的言辞却让人感受到其中的睿智与分量。2007年3月1日，为超导托卡马克核聚变实验装置EAST在合肥进行国家工程竣工验收的就是这位长者万元熙。他代表EAST工程指挥部作了报告：与国外同类装置相比，我们已建成的装置使用资金最少、建设速度最快、自主创新最多。完全可以乐观地预见，EAST的成功建造和运行，将为中国磁约束核聚变研究的下一步计划奠定物理、工程技术和人才队伍的坚实基础！
“未来高效聚变堆必须稳态运行，因此实现托卡马克稳态运行的工程和物理问题成为托卡马克的前沿研究领域；全超导托卡马克是实现稳态运行最必要的工程技术基础之一；世界上还没有全超导托卡马克；我们及时向国家提出了建造先进全超导托卡马克计划。” 万元熙追溯。
他的报告获得热烈的掌声。莅临的国家发改委副主任张晓强称EAST的建设成功，“是向和平利用聚变能迈出的重要一步，也是中国科技工作者对世界科技发展作出的重要贡献！”
“十年磨剑终成器，聚变曙光耀东方”，中国科学院常务副院长白春礼在致词里，更是言简意赅地作了点题。
太阳发出的能量来自氢原子核。氢原子核相互作用，发生核聚变，释放出光和热。如果发明一种装置，它不仅能承受上亿摄氏度的高温，还能控制氘和氚聚变稳定持续输出能量，无异于发明“人造太阳”，为人类提供无限清洁的能源。受控热核聚变反应的途径之一，就是制造托卡马克磁容器。科学家在该装置上研究发现，可以把氘氚的聚变燃料加热到几亿摄氏度的高温区，然后发生大量聚变反应。
“称我们的EAST是人造太阳，可能会造成公众的曲解。EAST进行的与未来聚变堆相关的工程和物理问题的探索性实验研究，是要为未来稳态、安全、高效先进聚变堆的物理和工程技术基础作贡献，但要建造在地球上的受控热核聚变反应堆或核聚变电站，能像太阳一样通过核聚变反应放出能量，进而实现商业化发电，那大约是50年后的事。”万元熙实事求是地解释。
EAST是英文Experimental Advanced Superconcting Tokamak（实验的、先进的超导托卡马克）的缩写，原意“东方”。它从1998年国家批准立项到今天通过验收，如吸收天地山川之精华，今天才喷薄于东方的地平线。中科院等离子体物理研究所的团队通过10年顽强拼搏，正在托起和明天一样辉煌的太阳。
万元熙：老骥引领“新潮流”
虽然年龄68，万元熙心态依然年轻，“我提出很多大胆的改革思路，年轻人说我不像是位老同志。我引领‘新潮流’，是所里第一个贷款买车的。”
天柱山，“自己开车想上哪就上哪，多自由、多潇洒呀！”
早年所里分房，万元熙废除了领导加分的老规定，根据所里未来的发展需求，把全所人员分成不同的群组，按其对所里的贡献打分，谁分数高谁就优先挑选房子，“群众有自己辨别是非的能力，比如李建刚所长当时还只是个小年轻，打分下来他排队很靠前，自然就分到了房子，现在也确实证明了他是研究所的中坚力量”。
万元熙认为骨干队伍的稳定和凝聚牵一发而动全身，要靠感情动人、待遇留人、事业凝人。“1995年，所里遴选出15位大家公认的学科和技术带头人，给他们每人发一张银行卡，每个月打进1000元钱。当时研究所经济拮据，造成一些人才因囊中羞涩而流失，我们采取这一措施是痛下决心。一些骨干拿到这1000元钱，说这样要‘玩命’时在老婆孩子面前也硬气了。”
和谐社会，应该人尽其才，才得其酬。“既然我是所长，就得对决策承担责任。关键岗位上的熟练技工收入能否比研究员还高？关键要看他对研究所发展的贡献。谁要吊儿郎当我也会拍桌子，当然事后我也会道歉。‘上山下乡’那年月我啥苦头没吃过？我与任何人都可以很好地沟通。”
“理论物理讲究做事出发点不能错，工程要为物理研究服务，不要本末倒置，因强调工程的难度而影响实验。所有工作都要落到实处，二级项、三级项，谈得再漂亮也不行，先跟我谈零级项。一定要先判断出最清晰的需求。”听万元熙这么“强硬”的口气，谁能相信他是胃切除4/5，至今还留有心肌梗塞病灶的人？
“很多决策包含着风险，如果硬要给我上纲上线，可能我就犯错误了，若不给我上纲上线，人家就说我英明决策。” 万元熙笑曰。
早在20多年前，万元熙就参加过托卡马克的国际会议，“以前我们与发达国家有很大差距，出国口袋里没有一点钱，根本谈不上社交”。
2006年10月在成都举行的国际聚变能会议，万元熙作了开幕式上的第一个报告，题为Overview of Progress of EAST Project and Future Plan。按过去的惯例，这一般都是由世界上最先进的聚变研究所作报告。报告结束后大家热烈提问，第二个提问的是美国教授Goldstone，他过去参加国际大会都会坐在第一排，都会提出非常尖锐的问题，但他这次却站了起来说：“我建议我们全体起立，为中国的EAST热烈鼓掌祝贺！”
在国际聚变能的类似大会上，以前还没有发生过700多位与会代表一起，为某项科研成就的取得热烈鼓掌，这次大家却为EAST的成就共同鼓掌充分说明，我国科学家已成为该研究领域的VIP。
过去托卡马克装置多半是圆截面，但后来理论证明非圆截面的效果更好。万元熙生平作的“最冒险”决定，就是要做全超导、非圆截面托卡马克。“我的冒险有理论根据。一是世界上已经有模型线圈作了相关实验，证明托卡马克可以承受一定量的快速磁通变化；二是物理上也有其他可采用的办法，能够用来降低超导托卡马克对其快速磁通变化的要求。就像是走路，如果前头是一面墙，人肯定穿越不过，但即使前面只有一条小路，人也能够通过，如果这面墙是纸糊的，人就很容易穿越。”
武松涛：阳光十足地“修行”
武松涛是等离子体所副所长，EAST的装置主机负责人。“我1983年华中工学院毕业，专业是光学工程，如果始终停留在原有专业就走不到今天。大学只能是‘师傅引进门’，工作上‘修行’的道路更漫长，要在等离子体所干好就必须懂得聚变，到处找这方面的书自学。”
武松涛找到一本《受控热核聚变实验装置概论》。油印讲义因年代久远已卷边发毛，但扉页上“中国科学技术大学四系”“一九七九年十二月”字样尚清晰可辨，“不记得当时是向谁借的，它只有上本没有下本，我得到后如获至宝，通宵达旦地看了好几遍。”
武松涛参与聚变实验装置建设是在1990年。他写的《HT-7主机改造工程的组织、协调与管理》发表在《科研管理》上。HT-7装置建造成功后又及时提出建造超导托卡马克EAST装置。“中科院希望能有年轻的科研人员参与项目，所领导到院里汇报工作有年轻人他们就高兴，如果只是所领导自己，院领导就苦脸相对。我介入装置总体设计，跟着霍裕平、万元熙、翁佩德几位老领导跑，他们都比我大20岁左右。我参加了院里及国家组织的几十次项目方案论证，我作总体方案这部分报告。有关部委领导看了HT-7U（EAST原名）都说，项目本身不错，但工程要持续那么久能否做到后续有人？大科学工程给了我成长的机会，我感谢老同志对我的信任和培养。”
武松涛一步一个脚印走了过来。“我们脑子里已逐渐把装置各个关键部件的结构清晰化，从1998年到2001年，我们每年出一本装置设计的文集，既作为文献把工作记录下来，也给大家增加点压力，思考未来的发展战略。文集的序言都是我自己写。”
听说用2000万美元就要建造全超导核聚变装置，国外没人相信，国内质疑的声音也不绝于耳。每次方案汇报和论证都像是舌战群儒，就是在这样的不断磨砺中，武松涛得到了锻炼成长。
武松涛巧妙地借助国际合作平台，为承担EAST接着搞“热身”。为合作伙伴美国得克萨斯大学核聚变研究中心设计制造新型等离子体物理实验装置，他带领五人的一个小组，前后用了两年时间，圆满完成了经费125万美元的合作项目。“这是我国首次以技术方式向发达国家输出托卡马克聚变系统。美国能源部对这一成功合作也很满意，称它是中美核聚变合作的新型的方式。它也是迄今为止中美聚变界最大的国际合作项目，对提高我们的自信心起到很大作用。”
2002年12月，武松涛因为一天到晚不停地工作，突然嗓子疼得厉害，几天之后干脆成了“哑巴”，医生诊断患了急性扁桃体炎，要他立即住院动手术。那时EAST正处于建设的关键期，他除了到医院打点滴，每天照常上班。无可奈何的医生只好在他病历上作了“病人拒绝住院”的记录。
“这在我们团队根本算不了什么。‘保证星期六不休息，星期天休息不保证’是我们不成文的作息守则。”武松涛说，“平时我总给人很阳光的感觉，但记得EAST立项一年多时，有一次我召集每周一次的全体例会，因为项目推进得很慢而带来压力，我忍不住说：如果项目延缓进度或者出了差错，我们不但愧对前辈，也愧对国家！当时我不由自主地哽咽了。大家好几分钟不说话，都感到我的动情之处，会后对我说，他们能体会我的压力，大家会同舟共济。”
2006年9月28日，EAST首次成功获得高温等离子体放电向媒体开放，李建刚所长找了武松涛一下午，想把他推向“前台”接受采访，但武松涛却如同“蒸发”了一般，“我在办公室，把衣服叠作枕头就躺在沙发上睡着了。从吃午饭后一直睡到傍晚。我将手机关掉，哪里也不想去”。
“大学同学毕业后曾聚会过两次，他们大多都已改行，其中经商的居多，目前还在搞科研的除我之外可能仅有一位同学。同学聚会问我怎么搞到聚变工程上来，还调侃说我是最有可能当院士的人。”武松涛笑了笑说：“众所周知，大科学装置的建造周期一般都很长，如果一个人耐不住寂寞，干不了那么长时间，就像跑马拉松运动员没有毅力似的，中途就会自行被淘汰出局。”
潘皖江：关乎“大脑毛细血管”
在EAST团队中，潘皖江主要负责装置绝缘结构的设计以及绝缘子的研制。
武松涛等早年在外国参观过托卡马克的绝缘子，但外国根本不愿意透露研制技术，每个绝缘子报价高达1400~1600美金，如果EAST需要600个绝缘子，就意味着仅此一项的花费就需要约90万美金。
1997年夏天，由武松涛出面游说，校友潘皖江就被赶上了架。潘皖江1989年华中工学院金属材料及热处理专业毕业，在等离子体所研制中心工作的几年里，也参与过一些绝缘材料的研制。
从俄罗斯T-7上拆卸的绝缘子，陶瓷材料不符合EAST装置的要求，他们想在国内寻找合作伙伴做绝缘材料，但相关单位不是因为工艺不能解决，就是因为经济效益的考虑，都不愿拣超导体绝缘材料这个“烫手的山芋”。当时31岁的潘皖江虽然还缺乏历练，但逼上梁山，只好自己做复合材料。
“高大明老师去国外访问时拿回一个样品，我们把它当宝贝似的，小心翼翼地不敢动，充其量是用X光为其拍照，但后来测试出它是坏的。询问外国的绝缘子价格，不仅贵得吓人，还不让测试性能。”
万元熙打过一个形象的比方，EAST里用的绝缘子就相当于人体大脑的毛细血管，哪怕其中一个毛细血管破裂，人可能就会脑瘫痪。所以，600多个绝缘子都要严格要求质量、严格加以测试。
“绝缘子前后研发了3年，自己做了两年。我们只能自力更生，在实践中摸索着干。”潘皖江轻描淡写地，一句话就带过了10年的历史。
潘皖江原创的“金点子”，是提出“液态树脂低温氦密封电流引线”的办法。
EAST在2006年初第一次调试，所有引线都发现电流引线外漏的情况。问题如不及时解决，可能导致超导磁体损毁，从而导致整个装置失效。万元熙和武松涛认为潘皖江提出的想法很新颖，值得尝试。从下午五点钟开始做，到七点半就出效果，从根本上解决了EAST的真空问题。“其他人可能受所学专业局限，想用强度很高的材料将外头的引线固化住，我是求异思维。”潘皖江还是轻描淡写，“后来开总结大会，万元熙总经理说我的主意不错，应该‘重奖’，给了我1500元的额外奖励。”
EAST第二次调试低温超导出现了内漏，大家又想到了潘皖江。他采用真空管，两天就解决了问题。
在EAST的工作中，潘皖江等人摸索出的一些新工艺、新方法都在申请专利之中，“很多人在跟踪我们的技术。我们研制绝缘子的成功率也很高，对外说我们的成功率达到90%，人家一般不相信，怎么可能那么高呢？我还没好意思跟他们说，我们的成功率甚至高达99%呢！”
高大明：抓质量就是“抠问题”
EAST的主要构成部分是超导磁体，为了节省项目经费，本来已和美国的一个科研机构商谈提供超导或电缆，但因李文和事件的突发使得这一合作可能中断。考虑到苏联因为解体，大加速器项目暂时搁浅，于是合作的指向自然掉转到俄罗斯。主管设计的副总经理翁佩德与俄罗斯联系，对方说仓库里有很多超导股线，但是放置的时间很长了，性能究竟怎么样不好说，但可以便宜点卖。
“柳暗花明又一村”，让大家眼前一亮。时值2001年春节前夕，所里赶紧组织8个人兵分两路，一路由陈灼民带队，一路由高大明带队。
陈灼民等人在尘封的仓库里，除了要把所有超导股线一团一团地全部倒出，还要测试每团线的3R性能。超导丝团和车轮子差不多大，他们足足折腾了三四个月，总算挑出4500多根、20吨参数能匹配的超导股线。最后，高大明坐镇指挥另一路兵马，在电缆研究所将这些超导股线绞缆。运回国内的成型电缆都是600多米长，最终用较少的钱买回了EAST重要的也是合格的材料。
此前，高大明和EAST研究中心主任陈思跃考察俄罗斯电缆所发现，该所虽然生产过800米的铜缆，但仅仅是验证工艺，从来没有连续、满负荷地生产过批量的超导导体。由于穿管导体内部充满液氦才能实现超导，必须对套管焊缝质量提出严格要求。超导导体的钢管焊接需要很好的技术，没有焊透不行，若焊得太透钢管就会鼓出一团，按什么标准来控制呢？高大明来回抠问题，总算得到一些比较关键的技术标准。
2001年8月26日，600米穿管超导导体（CICC）生产线建成，并成功生产出第一根铜缆导体。EAST所有超导磁体需要的导体都由这条生产线生产。从俄罗斯高能所购买的0.85毫米直径的超导股线，按照设计绞制成直径约20毫米的超导电缆，在这条生产线上穿入用特种高强度不锈钢管焊接成的长达600米的套管。
在总工艺师高大明指导下建成的CICC生产线，为EAST的超导磁体绕制、超导磁体实验等奠定了基础。
“严格管理是我们团队的特点。搞大科学工程本身就有很大风险，必须建立严格的质量管理体系。ISO9000标准的核心就是要文件化，实行过程控制，防患于未然。2000年底我们终于建成了EAST的质量管理体系。”高大明说。
高大明1978年从东北第一机械厂调来，“那时正是‘科学的春天’，受我们这个年龄段的人的理想主义教育影响，我就想扎扎实实为国家作贡献。搞大科学工程不像是在居里夫人时代，两三个人在地下室晃一晃化学瓶子，或许就可以搞出成果，我们EAST团队最注重的是团结协作。”高大明介绍说，“现在参加国际ITER计划，因为我们有全过程搞超导托卡马克装置的经验和技术积累，在国际舞台上说话的声音也响亮了。”
“我们的学生在国外，别人问起EAST怎么做，他完全可以应答如流。过去发达国家与我们合作纯粹是为了省点加工费用，现在我们EAST的整套经验对它们有用。”高大明打了个比喻，“这就像一位研究生虽然考试只七八十分，但和一位小学生考试得一百分，水平肯定不在一个档次。”
吴杰峰：施工现场“魂牵梦绕”
在俄罗斯转移的T-7上作物理实验，必须作许多技术改造。如它要多开窗口，才能实现ECRH、离子回旋等辅助加热；要了解等离子体的参数，必须要有相应的诊断窗口、实现抽真空的抽气窗口。总共要开100多个窗口。
吴杰峰1988年7月华中理工大学机械工程系毕业，就被分配到等离子体所的研制中心，他早年当过焊接项目负责人，现为研制中心主任。“真空室窗口原来只有12个，要改造到48个。管道共有3000个接头需要焊接，有一个产生漏焊、虚焊都非常可怕，氦气就可能跑到真空里，使外杜瓦变成大冰块。为把好质量关，我经常要钻进真空室，744毫米的直径，操作的焊工在这狭小的空间里头，无论仰焊、侧焊、横焊，都比较困难。”
超导线圈绕制是全新课题，高大明1998年带着吴杰峰等出国考察线圈绕控，1999年就自主研发出了“替代材料管内电缆导体”，接着绕制出D型线圈。“铠装导体的无张力连绕技术”获得了发明专利，绕线机获得了新型设计专利。
2002年2月做出第一条真正的超导导体，2003年8月做完58根、总共34公里的铠装电缆导体，“我们在现场抓质量和进度，最初40天做成一根导体，后来5天就能做成一根，一是技术操作大家已经熟练，二是批量生产采用了计件式的管理。一年半做完全部58根导体，是目前在国际上做得最多、速度也最快的。”
做EAST的超导磁体非能等闲视之。首先要建特种绕线车间、绝缘子真空压力浸渍车间等。研制中心进行了诸多技术集成和工艺上的探索。超导磁体34公里共3500多个接头，研制中心一次焊接合格率达到98%，超过了一级焊缝的标准。“从确保质量考虑，我们每次焊前都要试焊3次，连刚换了瓶气体也要先试焊3次。”
低温容器的密封度要求高，研制中心采用了内窥镜、渗透、超声等6种检测技术，“容器绝对不能出现泄漏。我们能想到的检测方法基本都采用了，只要一个方法未通过就得重来。因为哪怕一个焊头出问题，就可能陷入和别国的托卡马克一样尴尬的情况：真空上不去，低温下不来” 。
吴杰峰说，“检测出了某些问题，无论是我还是焊接的工人，睡觉都不踏实，可能睡梦中会突然翻身起来，说：哦，问题是不是出在那里！就赶紧披衣从家里跑到现场。”
白红宇：科研路上的感情“流量”
EAST有两个大规模低温超导磁体系统，超导线圈有好几个流体通道，必须通过控制保证其流量的分配。超导磁体要在4.5K下运行，低温制冷系统是冷却超导磁体及保证磁体运行在工作温度不可或缺的子系统。该系统不仅体积庞大，而且工艺技术复杂，“委托国外公司制造不仅时间周期较长，而且报价也相当昂贵，我们只好自己动手做”。白红宇说。
白红宇“自己动手做”做得非常好。“低温流量计先是买了个美国的，发现用它测量数据并不准，我们也自己动手做出来。”
在EAST的低温下传统流量计已经“失灵”，也可以用超声波的办法做，但先前国内没有人做过，谁要做就要有条件去标定它。“因为EAST用的是循环的氦，在这样条件下的流量计用户太少，企业从经济效益考虑认为得不偿失，也就不愿意做。我们自己做出来，不但可以做些对比，还可以标定，做出来非常准确。现也有用户提出要我们为他们做这种低温流量计。”
白红宇1993年西安交大低温工程专业毕业，1997年考上在职研究生后刚上了一年，研究所联系到去德国进修低温超导的机会，就把白红宇作为“马普学者”派去。
正好赶上德国大型超导聚变实验装置的模型线圈测试，“本来我去那里可以专门学习德语，但我想参加装置测试的机会更难得，就放弃了”。“我从德国回来，是把德国的1.2千瓦制冷机经改造后用于EAST，还是自己研发大型制冷系统，大家最初有争议，我认为1.2千瓦的‘小马’拉不了EAST‘大车’，坚持要自己做制冷机。先是做到1.5千瓦，后来做到了2.4千瓦”。
除了要把制冷机做好，还要做好冷却对象，回路设计还要考虑到合理设计液氦流量。白红宇经过对国内外的多方考察，确定膨胀机从国外买；压缩机用国产的；换热器通过国内的招标，从3个生产厂家中寻找最优化的设计和价格。2.4千瓦的制冷系统最终只花了2000万元。
“全部交给国外做肯定要多花钱。现在我们这样做虽然成功了，但当时却冒了很大的风险和压力。特别是去年初对装置的降温实验，毕竟是第一次调试，低温系统涉及到的问题实在太多，大家对装置的性能也不熟悉。好在这一切我们都挺过来了。”
大学刚毕业时，白红宇还未曾听说家乡湖南鼎鼎大名的远大空调，“远大空调是后来才起步并且做普冷的。我们那届低温班的30多位同学毕业，后来真正从事低温的只有几个，很多同学都转到了空调方面。我和同学之间联系不多，一是合肥比较偏僻，二是我天性专注于搞研究，不太擅长交际。虽然北京、上海对人才有很大吸引力，但像EAST这么大的项目，才是适合我搞科研的大平台。我从2000年正式参加，到2006年EAST调试实验成功，我非常庆幸自己有机会参与，而且从头做到尾。”
正是这些献身科学的人们，托起了明天辉煌的太阳！

B. 超导托卡马克装置的EAST

为了在近堆芯的高参数条件下研究等离子体的稳态和先进运行，深入探索实现聚变能源的工程、物理问题，等离子体所在成功建设中国第一个超导托卡马克HT-7的基础上，提出了“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置建设”计划。为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义，项目的名称在2003年10月正式由HT-7U改为EAST。EAST由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconcting”、托卡马克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”，同时具有“东方”的含意。EAST装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置（右图），其主要技术特点和指标是：16个大型“D”形超导纵场磁体将产生纵场强度 BT = 3.5 T ；12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化 ΔФ ≥ 10 伏秒；通过这些极向场超导磁体，将能产生 ≥ 100万安培的等离子体电流；持续时间将达到1000秒，在高功率加热下温度将超过一亿度。
EAST装置的主机部分高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。学科涉及面广，技术难度大，许多关键技术目前在国际上尚无经验借鉴。特别是EAST运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境，从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温，给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求。EAST的建造具有十分重大的科学意义，它不仅是一个全超导托卡马克（左图为托卡马克示意图），而且具有会改善等离子体约束状况的大拉长非圆截面的等离子体位形，它的建成将使我国成为世界上少数几个拥有这种类型超导托卡马克装置的国家，使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。在装置建成后的10-15年期间，能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究，并使中国在人类开发清洁而又无限的核聚变能的领域内做出自己应有的重大贡献。
EAST的大小半径虽然只有国际热核聚变试验堆（即ITER）的1/3和1/4（右图为ITER示意图），但位形与ITER相似且更加灵活 ，而且将比ITER早10-15年投入运行。EAST是一个近堆芯高参数和稳态先进等离子体运行科学问题的重要实验平台，它将是在ITER之前国际上最重要的稳态偏滤器托卡马克物理实验基地。

C. 热核聚变，托卡马克装置

托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克版的内部会产生巨权大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

D. “人造太阳”东方超环再创新纪录，我国的东方超环到底多厉害

有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST东方超环）在本月初，已经开启了新一轮的实验。此次实验建立在对上一轮实验结果的总结以及对 EAST 辅助加热等系统升级改造的基础之上，目标是让“人造太阳”向着更“热”更“持久”发起冲击。

我们拥有一个共同的梦想，那就是寻求一种无限而清洁的能源，从而实现人类的永续发展。如果说“夸父追日”是古人战胜自然的美好愿望，那么东方超环则代表了今人把梦想变为现实的努力。

EAST是由国家发改委批准立项的“九五”国家重大科技基础设施。中国聚变工程实验堆目前已完成工程设计，聚变堆主机关键系统综合研究设施正在建设。按照中国核聚变“三步走”的规划，中国极有可能成为世界首个建成核聚变实验电站的国家。

E. 我国"人造太阳"创世界纪录，终极能源越来越触手可及

月初，我国的超导托卡马克实验装置（EAST）在全球首次实现了 101.2 秒的稳态高约束运行模式，创造了新的世界纪录。

这一重要突破，标志着我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面，将继续引领国际前沿，对国际热核聚变实验堆（ITER）和未来中国聚变工程实验堆（CFETR）建设和运行具有重大的科学意义。

利用磁场对等离子进行约束的托卡马克装置

与此同时，我国下一代核聚变装置——中国聚变工程试验堆（CFETR）已于 2011 年开始进行设计研究。在过去的几年里，项目集中了我国磁约束聚变研究的骨干力量，形成目标明确的国家队。

同时，该项目推动了广泛国际合作，世界聚变研究发达国家美国、德国、法国、意大利等已经全面参与 CFETR 的设计，俄罗斯同行也表示未来更加深入参与 CFETR 计划。

F. 什么是“非圆截面全超导托卡马克——EAST实验装置。(即“人造太阳”)”谢谢

几乎完美的能源 人造太阳：难度超乎想象(图)

进入3月，全球数千名从事核聚变研究的物理学家都在等待一份来自安徽合肥的实验报告。他们希望中国同行带来好消息，从而增强他们在不久的将来投入ITER(国际热核实验反应堆)建设的信心。

这个实验，是对一个类似ITER核心装置的大型设备进行联合调试，以确定其是否能正常运转。在实验所在地中国科学院等离子体物理研究所，它被称为“先进超导托卡马克实验装置(英文缩写为EAST)”。

50年来，在地球上模拟太阳内部的核聚变反应，并把产生的惊人能量稳定地输送到电站，一直是人类未能实现的梦想。但一些物理学家相信，这一天肯定会来临。他们希望通过ITER计划向持怀疑态度的政治家和科学家证明，核聚变是一种可行的能源来源。

正因为如此，EAST实验似乎“根本承担不起失败”，这让聚集在合肥的100名核聚变专家和工程技术人员深感压力。

几乎完美的能源

核聚变是能源危机的终结者吗？一些物理学家对此坚信不疑。

3月2日，一位负责给EAST降温的工程师就认为，聚变能是今后能够大规模甚至一劳永逸地解决人类能源问题的惟一途径。

“站在悬崖的边缘，我们只能再造一个‘太阳’，别无选择。”他说。

100年前，爱因斯坦预见了在原子核中蕴藏着巨大的能量。依据他提出的质能方程E＝mc2，核聚变的原理看上去极其简单：两个轻核在一定条件下聚合成一个较重核，但反应后质量有一定亏损，将释放出巨大的能量。

1939年，美国物理学家贝特证实，一个氘原子核和一个氚原子核碰撞，结合成一个氦原子核，并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现揭示了太阳“燃烧”的奥秘。

实际上，太阳上的聚变反应已经持续了50亿年。在宇宙中的其他恒星上，也几乎都在燃烧着氢的同位素———氘和氚。

而氘在自然界中几乎“取之不尽”。科学家初步估计，地球上的海水中蕴藏了大约40万亿吨氘。从1升海水里提取的氘，在完全的聚变反应中所释放的能量，相当于燃烧300升汽油。如果把自然界中的氘用于聚变反应，释放的能量足够人类使用100亿年。

在实验室中，聚变反应的优点被不断发现——它产生的能量是核裂变的7倍，反应产物是无放射性污染的氦。更完美的是，未来的聚变电站会始终处于次临界安全运行状态，一旦出现意外，反应会自动停止，不会发生像三哩岛和切尔诺贝利那样的核泄漏事故。

1952年美国试爆了第一颗氢弹，促使科学家考虑如何控制核聚变反应在瞬间爆发的毁灭性能量，“人造太阳”之梦由此而始。

此后，石油、煤炭等化石能源日益枯竭，能源危机和温室效应步步逼近，获取新型能源已经变得十分迫切。虽然风能、水能、太阳能等可再生能源不断地被开发利用，但很难想象，它们能够完全替代传统能源。

超乎想象的难度

接下来的50年里，再造“太阳”的难度超出了所有科学家的预计。

马里兰大学的物理学家William Dorland在接受《自然》杂志采访时感叹，核聚变之所以进展缓慢，是因为“我们对等离子体的不稳定性和紊乱性知之甚少”。

由于存在巨大的引力场，在太阳核心1500万摄氏度、表面6000摄氏度的条件下均可轻松进行聚变反应。如果不需要控制能量输出，在地面制造核聚变也不是棘手的难题：氢弹就是把原子弹当“火柴”，来“点燃煤球”。

但要实现可控，过程则极为艰难。

科学家首先要把反应燃料加热到10万摄氏度，成为等离子体，即电子获得一定的能量摆脱原子核的束缚，原子核能够完全裸露出来，为碰撞做准备。然后他们要把这些等离子体继续加热到上亿度，使原子核拥有足够的动能克服库仑斥力，聚合在一起。

为了避免在瞬间产生巨大的能量，等离子体的密度必须维持在合适的水平。

做到了这一步，还没有真正实现可控。这些上亿度的等离子体，还必须在足够长的时间里“老实地呆在容器里”，使聚变反应稳定持续地进行，“不能以每秒超过1000公里的速度乱跑，也不能碰到容器的内壁”。

一个难题是，用什么来装1亿度高温的等离子体？

前苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念，期望用“无形的河床来约束河水”———环行磁场。在磁场中，带正电的原子核会沿着磁力线做螺旋式运动。此外，高功率的激光束也被用来充当“魔瓶”。

尽管科学家突破了一个又一个障碍，但距离“太阳”的光芒依然遥远。

中国科学院等离子体物理研究所研究员邱励俭说，要让“魔瓶”亮起来，必须同时解决超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境，牵涉真空、磁场、控制、等离子体、原子核等诸多领域的科学和技术难题。

而这“需要全世界最好的科学家和工程师一起合作，需要数国财力的共同支持”。

乐观的估计

于是，ITER计划应运而生。

1985年11月，美国和前苏联倡议在国际原子能机构框架下，由美国、前苏联、日本和欧洲共同体四方参与，建设国际热核实验反应堆。第一个设计方案是于2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价约需100亿美元。

这个雄心勃勃的国际大科学工程，自出生之日便命途多舛。

由于当时的石油价格仅10多美元一桶，能源危机并未显现，加上前苏联的解体和美国的退出，这个方案以及随后“缩小版”的新方案一度搁浅。

ITER的推迟，为中国、韩国和印度等国家提供了一个“呼吸的空间”。我国在2002年表示有兴趣参加ITER计划，并在2003年成为ITER谈判过程中的正式成员。

中国ITER专家委员会的一位委员说，因为对能源的迫切需求，中国才不惜血本加入ITER。根据合同，中国要承担整个项目100亿美元中10％，投入可谓史无前例。

随后，美国宣布重返ITER，韩国和印度也先后加入。2005年6月28日，在一片争吵声中，ITER的建设地点最终落在法国南部的卡达拉舍。

政治角逐结束，科学家们走向前台，他们期望这个地球上最昂贵的科学设备能带来新能源的曙光。“毕竟，我们有了场地，可以做实验了。”哥伦比亚大学物理学家Gerald Navratil说。

但是，ITER只是一个实验堆，离发电依然十分遥远。如果获得成功，它的下一步是建造商业示范堆，目的是验证商业可行性；最后还要建造商业运行堆，以验证经济可行性。

“完成这些过程可能还需要50年。”中国科学院等离子体物理研究所所长李建刚强调。他乐观地估计，“人造太阳”的出现，不会超过100年。

东方的曙光

在2005年7月21日出版的《自然》杂志上，来自英国原子能研究部门的物理学家David Ward打了一个赌。“我愿意和你赌100美元，别的核聚变装置会比ITER更先开始工作。”他说，“在欧洲，我们对聚变反应的前景很乐观。”

位于中国合肥的EAST就有可能是这样一个装置。

3月7日，EAST进入降温实验的第18天，邱励俭在工程日志上记下了一个数字。他说，在这个数字的低温下，EAST的超导线圈进入超导态，此次实验最重要的一个目标已经达到。

他们计划在今年7月份前后进行首次放电实验。

1954年，前苏联设计成功托卡马克(意为环行真空磁线圈)装置。此后，全世界建造了上百个托卡马克装置。其中，欧洲联合环(JET)在1991年11月将氘氚混合燃料加热到了3亿摄氏度，获得1分钟的等离子体放电。

但是在强电流作用下，常规托卡马克的磁线圈同样会发热。为了解决这个难题，科学家将超导技术成功应用于磁线圈，建成超导托卡马克。

邱励俭介绍，目前世界上的超导托卡马克，只有法国的Tore－Supra和中国的HT－7能正常运行。

HT－7是前苏联赠送给中国的一套实验装置，经过中国科学家的改进，它在2005年12月14日获得了1000万摄氏度、持续306秒的等离子体放电。这个结果，离法国的Tore－Supra只有一步之遥。

几年前，中科院等粒子体物理研究的专家们开始设计更先进的EAST，这是一个高5米、内直径7.62米、重达400多吨的庞然大物。作为世界上第一个全超导托卡马克，它与ITER的核心装置非常接近。专家们为此花费了6年时间，前后投入经费达3亿元人民币。

“一旦它运行成功，能够为未来降低ITER的风险提供十分宝贵的经验。”李建刚说。

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

G. 世界上首个全超导托卡马克核聚变装置是什么

世界上首个全超导托卡马克核聚变装置是EAST。

全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），有“人造太阳”之称。其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体。然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。

2006年9月28日，世界上首个全超导非圆截面升吵托卡马克核聚变实验装置首轮物理放电实验取得成功，标志着中国站在了世界核聚变研究的前端。2016年2月，中国EAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。2018年11月12日，从中科院合肥物质科学研究院获悉，EAST实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。

基本原理

核能是能源家族的新成员，包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能是重金属元素的核子通过裂变而释放的巨大能量，受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用实现了商用化，如核（裂变）电站。

裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。聚变能是两个慎孝较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量，目前开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。其实，宽笑稿人类已经实现了氘氚核聚变—氢弹爆炸，但那是不可控制的瞬间能量释放，人类更需要受控核聚变。

以上内容参考：网络—全超导托卡马克核聚变实验装置