■利用磁场对等离子进行约束的托卡马克装置 科技日报图

■2018年度EAST物理实验后，科研人员在进行EAST装置内部检查 新华社图

我国大科学装置EAST实现1亿摄氏度等离子体运行

太阳，普照大地，孕育万物，是地球赖以生存的光热能量之源。随着能源短缺问题的凸显，获得像太阳能一样取之不尽、用之不竭的可持续清洁能源，一直是人类的梦想。

一个集结了包括中国在内的30多个国家的顶尖科学家，规模仅次于国际空间站的国际大科学工程——国际热核聚变实验堆（ITER）计划，正在有条不紊地进行着。由于项目模拟自太阳内部的核聚变原理，这个工程还有一个更加形象的名字：“人造太阳”。

我国大科学装置——全超导托卡马克大科学装置EAST（东方超环）具有类似ITER的先进技术，也有“人造太阳”之称。为ITER预演稳态运行是EAST的重要使命。与ITER相比，EAST只有其1/4大小。但麻雀虽小，五脏俱全，EAST的成功经验已经支撑了ITER的建设。

近日又有好消息！我国的EAST日前取得重大突破，实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，获得的多项实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件，朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。

EAST取得的这些实验成果为未来国际热核聚变实验堆（ITER）运行和正在进行的中国聚变工程实验堆CFETR工程和物理设计提供了重要的实验依据与科学支持，也为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。

1.为什么要造“人造太阳”？

【核聚变反应生成的废物是氦，不会给环境带来污染。这就意味着，这种核聚变的过程一旦被驾驭，人类将获得一个理想的清洁能源。】

万物生长靠太阳，而太阳的能量来自于它自身内部一刻不停的聚变反应。根据爱因斯坦的质能关系理论，质量亏损可转化成能量。聚变反应就是两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核时，质量亏损，从而释放出能量的过程。

50多年前，人类已经在地球上实现了发生在太阳内部的氘氚聚变过程，这就是氢弹爆炸。氢弹的成功引爆，让人类真正体会到了两个质量最轻的原子核聚合瞬间释放出的巨大能量。

如果能够按照需要有效地控制这个反应过程，让能量长期地、持续地释放，就好比创造出了一个“人造太阳”，不但产生的能量巨大，还可以为人类带来理想而恒久的清洁能源。

首先，核聚变所消耗的“燃料”（氘和氚）来自世界上普遍存在的海水，燃料资源极为丰富。一个水分子有两个氢原子，它的同位素氘（亦称“重氢”）与氧原子结合所生成的水就是“重水”。重水在海水中所占比例虽然小，但是人们只需用蒸馏法就可从海水中取得重水，然后再电解重水就可获得氘。而氚也可以从海水中含量丰富的锂元素中制造出来。

尤其重要的是，这个核聚变反应生成的废物是氦，不会给环境带来污染。这就意味着，这种核聚变的过程一旦被驾驭，人类将获得一个理想的清洁能源。

从核物理理论和爱因斯坦质能转换公式可知，聚变能比裂变能还要大数倍。经测算，1升海水所含的氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量，1公斤氘全部聚变释放的能量大致相当于11000吨煤炭所释放的能量，而海水中氘的储量足够人类使用几十亿年。

到目前为止，没有任何新能源能够与之比拟。难怪，人们把这种受控核聚变形象地称为“人造太阳”。

我国的EAST是中科院等离子体所自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置，是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克（一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器），也是我国第四代核聚变实验装置，它的科学目标是让海水中大量存在的氘和氚在高温条件下，像太阳一样发生核聚变，为人类提供源源不断的清洁能源，所以也被称为“人造太阳”。

2.造出“人造太阳”有多难？

【 迄今人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的结构物，更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么人类还没能从核聚变中获取能量的原因。不过，科学家们想出了办法。】

核聚变反应的原理比较好理解，但要实现却十分艰难。今天，真正掌握聚变核武器——氢弹的国家仍然只有美、俄、英、法、中五国。不过氢弹一旦爆炸就无法控制，人类要真正掌握聚变产生的无尽能源，其挑战之大仍然超出了现有技术的界限。

首先，作为核聚变反应体的混合气体必须被加热到等离子态——也就是温度足够高，使得电子能脱离原子核的束缚、原子核能自由运动——这时才可能使原子核发生直接接触——这大约需要10万摄氏度的温度。

其次，为了克服原子核之间相互排斥的，需要以极快的速度运行。要想达到这个速度，必须继续加温到上亿摄氏度。这样，氚的原子核和氘的原子核才能获得足够大的速度发生碰撞，引发核聚变反应释放出能量。

然而，迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的结构物，更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么氢弹已经诞生了半个多世纪，人类还没能有效的从核聚变中获取能量的原因。

科学家们设计出两种装置，可望实现对聚变过程的有效控制，让能量持续稳定的输出。

第一种是磁约束可控核聚变，其核心装置叫作“托克马克”环。简单的讲它是一个具有超强磁场的圆环装置，可以通过电磁力将超高温等离子体约束在环体中进行聚变反应。同时，超高温等离子体是悬空的，因此环体部件的温度可以在现有材料接受的范围内。

另一种是惯性约束，利用多束强大的激光束或粒子束，聚焦于一个米粒大小的重氢靶丸上，瞬间压缩，产生高温高压。由于后者的效率较低，聚变产出的能量不能弥补激光器消耗的能量，而磁约束的可行性早在上世纪末就已得到验证，因此磁约束聚变是目前研究的主流。

下一步目标，是实现点火和自持燃烧，也就是用聚变产生的能量来维持聚变反应。为此，欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同合作，正在法国建造下一代磁约束聚变装置——国际热核聚变实验堆（ITER），即所谓的“人造太阳”计划。

计划中的国际热核聚变实验堆是一个全超导托卡马克装置，高24米，直径30米，建成之后总重量将达23000吨，比三座埃菲尔铁塔（7300吨）还要重。

科学家们首先要把燃料（氘和氚的混合物）变成离子状态（这是物质除了固态、液态和气态之外的第四种存在形式），才能用电磁的方法束缚并控制它们。ITER计划中设计的“磁笼”，由18节巨型的D型环向磁场线圈所组成，每一节就重达360吨，相当于一架满载的波音747-300客机的总重量。

当强大的电流通过这些大线圈时，环形线圈内就产生强大的环形磁场，磁场内等离子体的带电粒子就被它的磁力线约束住了。可以想象，高达1.5亿摄氏度（相当于太阳内核温度的10倍）的极高温等离子体内，粒子运动非常激烈，所以必须形成足够强大的磁场来约束它们，幸而超导技术的突飞猛进帮了大忙。

产生热核聚变的另一个重要条件就是要制造温度达1.5亿摄氏度的高温等离子区。ITER使用的产生高温方法很像微波炉对食物加热，科学家正在努力研究使用更高性能的“高功率射频加热装置”来实现它。

我国全超导托卡马克大科学装置EAST近期实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破，获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件，朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步。

3.何时造出“人造太阳”？

【根据日程表，ITER将于2025年底实现首次点火，产生第一束等离子体，然后将于2035年开始聚变实验，最终将于2050年左右实现核聚变能的商业应用。】

ITER计划是一项重大的国际科技合作计划，最初是由美苏两国于1985年提出的，随后日本和欧盟响应参与。后因苏联解体和1999年美国退出，计划的进展受到了不小的影响，但研究工作并没有停止。2003年，美国宣布重返。接着，中国、韩国和印度先后加入，使得ITER计划活力更大，实力更强。

在法国南部海港城市马赛以北约80公里处的圣保罗-莱迪朗斯小镇，国际热核聚变实验反应堆计划（ITER）组织的数千名来自不同国家的科学家、工程师和管理人员正在埋头“筑梦”。数十年后，一个“人造太阳”可能在当地流水潺潺的迪朗斯河边升起。

日前，新华社记者走进位于圣保罗-莱迪朗斯的ITER组织总部，深入到热核聚变实验反应堆建设工地现场，目睹和感受这个堪与国际空间站、人类基因组计划等工程相媲美的国际大科学工程的宏伟与复杂。

ITER组织建设的热核聚变实验反应堆是一个学名叫“托卡马克”的装置。该装置的形状像一个平放的轮胎，工作原理是通过磁场约束温度高达1亿摄氏度的处于等离子状态的核燃料，让作为燃料的氘元素和氚元素在超高温下持续发生受控核聚变反应，从而产生巨大能量。

这个反应堆是世界上在建的最大、最复杂的磁约束核聚变装置，因为其反应原理和太阳发光发热一样，所以被形象地称为“人造太阳”。

记者在现场看到，工地上吊车林立，建设工作正有条不紊地进行。在占地6000平方米、高60米的装配车间，由7个参与方（30多个国家）分别制造的部件陆续小心翼翼地运来，在这里完成清洗、检验和预组装；在占地1.2万平方米的极向场线圈绕制车间，4个直径为17至24米的极向场线圈的绕制工作正在进行。这些线圈是反应堆磁体系统的重要组成部分，有了它们，才能构建磁场，为热核反应提供“容器”。

此外，扮演反应堆的生命线角色的配套电网、不可或缺的冷却系统也都在建设中。整个工地虽然很大，但却几乎没什么声音，给人一种“历史总是默默前行”的感觉。

ITER组织总干事贝尔纳·比戈告诉记者，目前反应堆的工程建设已完成一半以上，根据目前的日程表，ITER将于2025年底实现首次点火，产生第一束等离子体，然后将于2035年开始聚变实验，最终将于2050年左右实现核聚变能的商业应用。

据ITER组织内外关系与总干事行动办公室主任金炬介绍，自2008年以来，中国陆续承担了ITER组织分发的10多个采购包的制造任务，涵盖了ITER装置几乎所有关键部件。中国籍管理和技术人员占ITER组织员工的比例也不断提高，如今已超过9%，仅次于欧盟。

比戈告诉记者，中国是ITER“非常、非常好的合作伙伴”，中国交付相关产品“按时保质”，堪称合作各方的榜样。在公开介绍ITER计划进展的新闻发布会上，比戈甚至情不自禁地指着大屏幕上显示的由中国生产和交付的部件说：“你们请看，这些部件都来自中国。”

专题文字/据新华社、新华网、科技日报、科普中国网

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托卡马克装置是何种“神器”？

关于我国的EAST，如果提起“人造太阳”，很多人都耳熟能详，但如果说起它的学名——大型非圆截面全超导托卡马克装置，可能就没有多少人知道了。

那么，托卡马克装置是一种什么样的“神器”？

托卡马克最早是苏联人的发明。它的名字Tokamak，来源于环形、真空室、磁、线圈。

50年来，人类渴望在地球上实现太阳内部核聚变的模拟，期望能够把惊人的能量稳定地输送给电站。托卡马克是人们未来得以实现“完美能源”这一畅想的化身。

热核聚变会产生上亿摄氏度高温的等离子体，比太阳中心部的温度还要高五六倍！怎样才能实现“人造太阳”？

科学家想了一个办法，就是利用托卡马克装置，把一团上亿摄氏度的等离子体火球，用磁场把它悬浮起来，跟周边的任何容器材料不接触，环体部件的温度可以在现有材料接受的范围内。这个时候就可以对它加热、控制，进而实现“人造太阳”。

我国“东方超环”EAST作为世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置，集中了超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超高真空等多项极限，主要用来探索实现聚变能源的工程、物理问题，为未来能源发展提供新思路。