所謂“人造太陽”，即先進超導托卡馬克實驗裝置，也即國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)建設工程，是當今世界迄今為止最大的熱核聚變實驗項目，旨在在地球上模擬太陽的核聚變，利用熱核聚變?yōu)槿祟愄峁┰丛床粩嗟那鍧嵞茉础：司圩兡芤噪盀槿剂?，具有安全、潔凈、資源無限3大優(yōu)點，是最終解決我國乃至全人類能源問題的戰(zhàn)略新能源。

 簡介

人造太陽是可控核聚變的俗稱，因為太陽的原理就是核聚變反應。(核聚變反應主要借助氫同位素。核聚變不會產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，不產(chǎn)生核廢料，當然也不產(chǎn)生溫室氣體，基本不污染環(huán)境) 人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。科學家們希望發(fā)明一種裝置，可以有效控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出。科學家們把這類裝置比喻為“人造太陽”。

“人造太陽”是指科學家利用太陽核反應原理，為人類制造一種能提供能源的機器——人工可控核聚變裝置，科學家稱它為“全超導托克馬克試驗裝置”。 (托卡馬克是“磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離子的等離子體。)太陽的光和熱，來源于氫的兩個同胞兄弟——氘和氚(物理學叫氫的同位素)在聚變成一個氦原子的過程中釋放出的能量。“人造太陽”就是模仿的這一過程。氫彈是人們最早制造出的“人造太陽”。但氫彈的聚變過程是不可控的，它瞬間釋放出的巨大能量足以毀滅一切。而“全超導托克馬克試驗裝置”卻能控制這一過程。通過一種特殊的裝置已經(jīng)可以把氘氚的聚變?nèi)剂霞訜岬剿膬|到五億度的高溫區(qū)，然后在這么高的溫度下就發(fā)生了大量的聚變反應。目前在世界上最大的托克馬克裝置“歐洲聯(lián)合環(huán)”上面已經(jīng)獲得了最大的聚變功率輸出，到了16到17兆瓦。但是只能短暫地運行，也就是這個“磁籠”只能存在幾秒、十幾秒鐘，聚變反應也是曇花一現(xiàn)!

背景

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(jù)他提出的質(zhì)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，但反應后質(zhì)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(jié)合成一個氦原子核，并釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發(fā)現(xiàn)揭示了太陽“燃燒”的奧秘。

實際上，太陽上的聚變反應已經(jīng)持續(xù)了50億年。在宇宙中的其他恒星上，也幾乎都在燃燒著氫的同位素———氘和氚。(氫原子最容易實現(xiàn)的聚變反應是其同位素氘與氚的聚變。氘和氚聚變后，2個原子核結(jié)合成1個氦原子核，并放出1個中子和17.6兆電子伏特能量。每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚變產(chǎn)生的能量相當于300升汽油。 )

而氘在自然界中幾乎“取之不盡”?？茖W家初步估計，地球上的海水中蘊藏了大約40萬億噸氘。從1升海水里提取的氘，在完全的聚變反應中所釋放的能量，相當于燃燒300升汽油。如果把自然界中的氘用于聚變反應，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(yōu)點被不斷發(fā)現(xiàn)——它產(chǎn)生的能量是核裂變的7倍，反應產(chǎn)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于次臨界安全運行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)意外，反應會自動停止，不會發(fā)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(fā)的毀滅性能量，“人造太陽”之夢由此而始。

此后，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(jīng)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(fā)利用，但很難想象，它們能夠完全替代傳統(tǒng)能源。

原理

在太陽的中心，溫度高達1500萬攝氏度，氣壓達到3000多億個大氣壓，在這樣的高溫高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并放出大量能量。幾十億年來，太陽猶如一個巨大的核聚變反應裝置，無休止地向外輻射著能量。

核聚變能是兩個較輕的原子核結(jié)合成一個較重的原子核時釋放的能量，產(chǎn)生聚變的主要燃料之一是氫的同位素氘。氘廣泛的分布在水中，每一升水中約含有30毫克氘，通過聚變反應產(chǎn)生的能量相當于300升汽油的熱能。采集氘并使之與相關(guān)物質(zhì)聚變產(chǎn)生能量，就是人造太陽的原理。

20世紀50年代初，蘇聯(lián)科學家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念。蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇按照這樣的思路，不斷進行研究和改進，于1954年建成了第一個磁約束裝置。他將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為托卡馬克(tokamak)。托卡馬克是“磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離了的等離子體。

托卡馬克中等離子體的束縛是靠縱場(環(huán)向場)線圈，產(chǎn)生環(huán)向磁場，約束等離子體，極向場控制等離子體的位置和形狀，中心螺管也產(chǎn)生垂直場，形成環(huán)向高電壓，激發(fā)等離子體，同時加熱等離子體，也起到控制等離子體的作用。

幾十年來，人們一直在研究和改進磁場的形態(tài)和性質(zhì)，以達到長時間的等離子體的穩(wěn)定約束;還要解決等離子體的加熱方法和手段，以達到聚變所要求的溫度;在此基礎上，還要解決維持運轉(zhuǎn)所耗費的能量大于輸出能量的問題。每一次等離子體放電時間的延長，人們都為之興奮;每一次溫度的提高，人們都為之歡呼;每一次輸出能量的提高，都意味著我們離聚變能的應用更近了一步。盡管取得了很大進步，但障礙還是沒有克服。到目前為止，托卡馬克裝置都是脈沖式的，等離子體約束時間很短，大多以毫秒計算，個別可達到分鐘級，還沒有一臺托卡馬克裝置實現(xiàn)長時間的穩(wěn)態(tài)運行，而且在能量輸出上也沒有做到不賠本運轉(zhuǎn)。

為了維持強大的約束磁場，電流的強度非常大，時間長了，線圈就要發(fā)熱。從這個角度來說，常規(guī)托卡馬克裝置不可能長時間運轉(zhuǎn)。為了解決這個問題，人們把最新的超導技術(shù)引入到托卡馬克裝置中，也許這是解決托卡馬克穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)的有效手段之一。目前，法國、日本、俄羅斯和中國共有4個超導的托卡馬克裝置在運行，它們都只有縱向場線圈采用超導技術(shù)，屬于部分超導。其中法國的超導托卡馬克Tore-Supra體積較大，它是世界上第一個真正實現(xiàn)高參數(shù)準穩(wěn)態(tài)運行的裝置，在放電時間長達120秒的條件下，等離子體溫度為2000萬度，中心粒子密度每立方米1.5×1019個。中國和韓國正在建造全超導的托卡馬克裝置，目標是實現(xiàn)托卡馬克更長時間的穩(wěn)態(tài)運行。

50年來，全世界共建造了上百個托卡馬克裝置，在改善磁場約束和等離子體加熱上下足了功夫。在上世紀70年代，人們對約束磁場研究有了重大進展，通過改變約束磁場的分布和位形，解決了等離子體粒子的側(cè)向漂移問題。世界范圍內(nèi)掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國、歐洲、日本、蘇聯(lián)建造了四個大型托卡馬克，即美國1982年在普林斯頓大學建成的托卡馬克聚變實驗反應堆(TFTR)，歐洲1983年6月在英國建成更大裝置的歐洲聯(lián)合環(huán)(JET)，日本1985年建成的JT-60，蘇聯(lián)1982年建成超導磁體的T-15，它們后來在磁約束聚變研究中做出了決定性的貢獻。特別是歐洲的JET已經(jīng)實現(xiàn)了氘、氚的聚變反應。1991年11月，JET將含有14%的氚和86%的氘混合燃料加熱到了攝氏3億度，聚變能量約束時間達2秒。反應持續(xù)1分鐘，產(chǎn)生了1018個聚變反應中子，聚變反應輸出功率約1.8兆瓦。1997年9月22日創(chuàng)造了核聚變輸出功率12.9兆瓦的新記錄。這一輸出功率已達到當時輸入功率的60%。不久輸出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡馬克上最高輸出與輸入功率比已達1.25。

研究進展

從上個世紀50年代初，美國和蘇聯(lián)分別開始秘密地研究可控的核聚變，因為核聚變反應堆不僅可以獲取用之不絕的能源，還可以用作穩(wěn)定的中子源，例如可用來生產(chǎn)核裂變原料。但理論研究和實驗技術(shù)上遇到一個又一個難以逾越的障礙，不久獨立進行研究的各國就認識到這件事并不容易，只有開展廣泛的國際合作才是加速實現(xiàn)核聚變能利用的可行之路。隨后逐漸相互公開研究資料和進展，開始了合作之路。即使在冷戰(zhàn)時期，其他核技術(shù)都是相互保密的，惟獨熱核聚變技術(shù)是相互公開的。

1985年，美國總統(tǒng)里根和蘇聯(lián)總統(tǒng)戈爾巴喬夫，在一次首腦會議上倡議開展一個核聚變研究的國際合作計劃，要求“在核聚變能方面進行最廣泛的、切實可行的國際合作”。戈爾巴喬夫、里根和法國總統(tǒng)密特朗后來又進行了幾次高層會晤，支持在國際原子能機構(gòu)主持下，進行國際熱核實驗反應堆，即ITER的概念設計和輔助研究開發(fā)方面的合作。

1987年春，國際原子能機構(gòu)總干事邀請歐共體、日本、美國和加拿大、蘇聯(lián)的代表在維也納開會，討論加強核聚變研究的國際合作問題，并達成協(xié)議，四方合作設計建造國際熱核實驗堆，并由此誕生了第一個國際熱核實驗堆的概念設計計劃。計劃將于2010年建成一個實驗堆，預期產(chǎn)生熱功率1500兆瓦、等離子體電流2400萬安培，燃燒時間可達16分鐘。

隨后，由于蘇聯(lián)的解體，計劃受到很大影響，1999年美國的退出使ITER計劃雪上加霜。日本和歐共體國家于是成為支持國際磁約束聚變研究計劃的主體力量。經(jīng)過多年的努力，ITER工程設計修改方案也終于在2001年6月圓滿完成。

根據(jù)計劃，首座熱核反應堆將于2006年開工，總造價為約40億歐元。聚變功率至少達到500兆瓦。等離子體的最大半徑6米，最小半徑2米，等離子體電流1500萬安培，約束時間至少維持400秒。未來發(fā)展計劃包括一座原型聚變堆在2025年前投入運行，一座示范聚變堆在2040年前投入運行。

2003年2月18日，美國宣布重新加入這一大型國際計劃，中國也于前一個月正式加入該項計劃的前期談判。19日，國際熱核實驗反應堆計劃參與各方在俄羅斯圣彼得堡決定，將于2013年前在日本、西班牙、法國和加拿大四國中的一個國家中建成世界上第一座熱核反應堆。

2003年12月20日在華盛頓召開的一次非常熱鬧的會議上出現(xiàn)了兩軍對壘的形勢：歐盟、中國和俄羅斯主張把反應堆建在法國的卡達拉齊，而美國、南朝鮮和日本則主張建在日本的六所村。因為沒有選擇加拿大作為反應堆候選國，加拿大政府隨后宣布，由于缺乏資金退出該項目。

ITER的相關(guān)會議確定，反應堆所在國出資48%，其他國家各出資10%。目前各項細節(jié)談判正在緊鑼密鼓地進行之中，反應堆建在哪里還沒有最終確定。

盡管ITER計劃采用了最先進的設計，綜合了以往的經(jīng)驗和成果，比如采用全超導技術(shù)，但它的確還面臨重重挑戰(zhàn)。即使它能如期在2013年如期建成，這個10層樓高的龐大機器能否達到預期目標也還是個未知數(shù)。諸如探索新的加熱方式與機制為實現(xiàn)聚變點火，改善等離子體的約束性能，反常輸運與漲落現(xiàn)象研究等前沿課題，偏濾器的排灰、大破裂的防御、密度極限、長脈沖H-模的維持、中心區(qū)雜質(zhì)積累等工程技術(shù)難關(guān)還有待于各國科技工作者群力攻關(guān)。即使對ITER的科學研究真的成功了，聚變發(fā)電站至少還要30～50年以后才能實現(xiàn)。

前景意義

1952年，當?shù)谝活w氫彈爆炸之后，人類制造核聚變反應成為現(xiàn)實，但那只是不可控制的瞬間爆炸。從那個時候開始，科學家們一直在尋找途徑，把氫彈爆炸在某個試驗裝置上面加以控制地讓它發(fā)生，然后源源不斷地取出它的核聚變能。50多年的時間過去了，這個夢想一直沒能實現(xiàn)。

根據(jù)科學家的分析，如果我們未來能建成一座1000兆瓦的核聚變電站，每年只需要從海水中提取304公斤的氘就可以產(chǎn)生1000兆瓦的電量，照此計算，地球上僅在海水中就含有的45萬億噸氘，足夠人類使用上百億年，比太陽的壽命還要長。實現(xiàn)可控制的核聚變反應，打造一個“人造太陽”，已成為當今世界擋不住的一大誘惑。因為，這可以一勞永逸地解決人類存在的能源短缺問題，豈不幸哉!

當今世界，人口爆炸性地增長，能源、資源危機步步逼近。這項前無古人的ITER計劃，或許也是一個別無選擇的計劃，將為人類的生存和發(fā)展創(chuàng)造又一個“太陽”。雖然這個“太陽”離我們還有一段距離，有人估計需要50―100年，不過可以相信，“人造太陽”普照人間的這一天終將來臨。它將為人類未來建造工業(yè)應用的聚變電站搭起一座橋梁。目前，在托卡馬克裝置上進行聚變反應已經(jīng)獲得不小的成功，但要實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、長時間地運行還有很長的路要走，我們就是想通過全超導技術(shù)來解開這個“死結(jié)”，讓它運行的時間更長，從實驗逐步走向應用。

一旦“人造太陽”成功運行，帶給世界的變化將是革命性的。各國之間再也不用為中東的石油而發(fā)生戰(zhàn)爭。沒了石油、煤礦開采帶來的污染，二氧化碳的溫室效應、南極冰面的萎縮、海岸線的增高等等一系列現(xiàn)在人類頭疼的問題都會消失。它將給人類帶來無限清潔的能源，就像太陽給我們的一樣。

評價及意義

EAST的成功建設得到國際聚變研究專家的高度評價。由29位國際聚變界權(quán)威人士組成的國際顧問委員會在評價意見中指出，“EAST是全世界聚變工程的非凡業(yè)績，是全世界聚變能開發(fā)的杰出成就和重要里程碑”，“EAST是目前世界上唯一投入運行并擁有類似于即將建設的國際熱核聚變實驗堆(ITER)而采用全超導磁體的托卡馬克裝置。EAST的成功建設和運行為中國平等參加ITER這一重大國際合作奠定了基礎”。

由國家發(fā)改委、中科院、科技部、國家檔案局、國家環(huán)?？偩帧易匀豢茖W基金委的領(lǐng)導和相關(guān)院士及專家組成的34人驗收委員會認為：EAST超導托卡馬克核聚變實驗裝置項目實現(xiàn)了原定的建設目標，性能在同類裝置中處于國際領(lǐng)先位置。這一具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代全超導托卡馬克核聚變實驗裝置率先在我國成功建成，整個實驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，裝置主機及其重要子系統(tǒng)均達到或超過設計指標，該裝置已全面、優(yōu)質(zhì)完成，為我國核聚變事業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的發(fā)展平臺，也為我國全面參與國際合作項目奠定了堅實的基礎。

國家發(fā)改委副主任張曉強說：“這是我國聚變開發(fā)史上一個不可缺少的重要步驟，也是我國科學家對世界科技發(fā)展的重要貢獻。”

背景知識

核聚變反應

核聚變反應 ： 核聚變反天那

應主要借助氫同位素。核聚變不會產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，不產(chǎn)生核廢料，當然也不產(chǎn)生溫室氣體，基本不污染環(huán)境

托卡馬克裝置

托卡馬克裝置 ： 托卡馬克是“磁線圈圓環(huán)室”的俄文縮寫，又稱環(huán)流器。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離子的等離子體。

氘-氚聚變

氘-氚聚變： 氫原子最容易實現(xiàn)的聚變反應是其同位素氘與氚的聚變。氘和氚聚變后，2個原子核結(jié)合成1個氦原子核，并放出1個中子和17.6兆電子伏特能量。每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚變產(chǎn)生的能量相當于300升汽油。