2006年 世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置建成

2006年9月28日，由中国科学院等离子体物理研究所牵头，我国自主设计、自主建造而成的世界上第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（EAST，通称“人造太阳”）首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。这一事件标志着世界上新一代超导托卡马克核聚变实验装置在中国首先建成并正式投入运行，是世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑。

探秘托卡马克

几十亿年来，太阳通过核聚变，不断地向外辐射着能量。如何模仿这一原理，建造一个源源不断提供清洁能源的“人造太阳”？托卡马克核聚变堆，就被形象地称为“人造太阳”。2015年，中国新一代“人造太阳”实验装置东方超环（EAST）辅助加热系统，在合肥科学岛顺利通过国家重大科技基础设施验收。这标志着东方超环完成重大升级改造，已具备了挑战国际磁约束聚变最前沿研究课题的能力。

说起核聚变，了解的人可能不多。实际上，我们天天见证着核聚变，太阳就是一个巨大的核聚变反应装置。在太阳的中心，在高温、高压条件下，氢原子核聚变成氦原子核，并放出大量能量。几十亿年来，太阳通过核聚变，不断地向外辐射着能量，照耀着大地。

核能是人类历史上的一项伟大发现，主要通过裂变、聚变、衰变三种方式释放能量。其中，原子弹、核电站均采用的是核裂变技术，核聚变能就是模仿太阳的原理，使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核，并释放巨大能量。1952年，世界上第一颗氢弹爆炸之后，人类制造核聚变反应成为现实，虽然那只是不可控的瞬间爆炸，但点燃了人类安全利用这一巨大能量的梦想。从那时开始，全世界的科学家就一直在寻找途径，力求实现可以控制的核聚变能。全超导托卡马克实验装置，就是人类为实现这一梦想而建造的实验平台。

核聚变能为何有如此巨大的魅力？这是由于其具有无可比拟的优点。当前，全球依赖的主要能源是煤、石油、天然气等化石能源，这些传统能源不仅会造成污染，而且终有被耗尽的一天。核聚变的燃料氘在海水中大量存在，每升海水中含30毫克氘，完全聚变所释放的能量，相当于燃烧340升汽油。地球上仅海水中就含有45万亿吨氘，足够人类使用上百亿年，比太阳的寿命还要长。聚变需要的另一种燃料是锂，地球上锂的储量充足，可谓取之不尽、用之不竭。

“东方超环”点燃希望之光

托卡马克（Tokamak）是一环形装置，外面缠绕着线圈，通电时内部会产生强大的螺旋型磁场，来约束聚变燃料构成的高温等离子体，创造聚变反应条件，并实现人类对聚变反应的控制。它的名字Tokamak来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、线圈（kotushka）。这一装置，最早由苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人于20世纪50年代发明。近年来，中国科学院等离子体研究所先后建造了中小型托卡马克HT-6B和HT6M，以及超导托卡马克合肥超环（HT-7）和全超导托卡马克东方超环（EAST）。

▲超导线圈

值得一提的是，“东方超环”是世界上第一个建成并正式投入运行的全超导托卡马克实验装置。EAST集全超导和非圆截面两大特点于一身，具有主动冷却结构，能产生稳态的、具有先进运行模式的等离子体，此前世界上尚无成功建造的先例。其建成运行，标志着我国磁约束核聚变研究水平进入国际先进行列。

作为国家大科学工程项目，EAST于1998年立项，建设历时8年，2006年9月28日在合肥首次放电成功。EAST的成功运行受到国内外专家的高度评价，他们称赞“EAST是世界聚变工程的非凡业绩，是世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑”。

“人造太阳”产生核聚变能，温度和持续时间是关键。根据设计，EAST产生等离子体最长时间可达1000秒，温度将超过令人难以想象的5000万℃。2012年，EAST获得411秒2000万℃等离子体，并获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电，创造了2项托卡马克运行世界纪录。2016年，EAST实现电子温度超过5000万℃持续时间102秒的超高温长脉冲等离子体放电。

▲全超导托卡马克EAST装置主机

▲5000万℃102秒等离子体放电

▲32秒H模放电

EAST是未来十年国际上有能力在高参数条件下开展长脉冲聚变等离子体物理和工程技术研究的实验平台之一，同时也是面向国内外开放的核聚变实验平台和研究中心。依托EAST，等离子体所与国际上主要的聚变研究机构以及国内相关高校及科研院所都有密切的合作关系。“全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（EAST）的研制”荣获2008年国家科学技术进步奖一等奖。等离子体所超导托卡马克创新团队荣获2013年国家科学技术进步奖框架下的创新团队奖。

▲“全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（EAST）的研制”项目获2008年国家科学技术进步奖一等奖

▲中国科学院合肥物质科学研究院超导托卡马克创新团队获2013年国家科学技术进步奖

规划建设我国未来聚变工程实验堆

以实现聚变能源为目标的中国聚变工程实验堆（CFETR）设计与建设是我国聚变能研发必不可少的一环，我国科学家在国际热核聚变实验堆（ITER）计划建设的同时已经开始规划建设CFETR。等离子体所立足开展“以我为主”的国际合作，联合国内相关单位在科技部支持下已经完成CFETR总体设计方案，并通过国际专家组评估，认为我国具备了建设世界首个聚变电站的能力。同时，等离子体所已经开展CFETR预研。

CFETR项目的建设将是未来一个创新型产业和高新技术的聚集。项目建设中将会带动系列相关高新技术产业的蓬勃发展，衍生出一批可应用于国民经济发展的产业链。自主发展出的关键聚变工程技术将促进超导、低温、电源、材料等方面的技术应用于航天、国防、军工、医疗等行业。

来自于国家的大力支持和中国科学家的努力，促使中国核聚变实力不断提升，从30年前的模仿跟随到10年前的并跑，到如今的超越领先，在国际上不断发出中国聚变的声音。基础和优势已经推动我国在高温等离子体物理实验及核聚变工程技术研究领域处于国际领先水平。CFETR的建设将促使我国引领未来世界聚变能研究，早日实现聚变能发电，率先为人类科技发展贡献更多中国智慧。

（图文/中国科学院等离子体物理研究所）