新一代“人造太阳”：全超导托卡马克核聚变实验装置

2月22日即本周三，“人造太阳”EAST（东方超环）牵头人、中国工程院院士李建刚将做客墨子沙龙，讲述可控核聚变能源的发展现状及未来展望（直播地址）。

今天，通过下面的文章让我们先了解下：什么是“人造太阳”？为什么要研究“人造太阳”？如何实现可控核聚变？……

文章摘选自《大国重器》一书，感谢知乎和中国科学技术大学出版社授权。

在合肥市西郊的科学岛上，坐落着一座大科学装置，它的名字叫作 EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，也就是大家耳熟能详的“人造太阳”。它背后的科学研究事业就像一颗冉冉升起的太阳，寄托着人类对终极能源的向往。

EAST 是我国自主研制的新一代托卡马克型受控核聚变实验装置。核聚变是两个轻量元素的原子核聚合到一起，同时释放巨大能量的核反应。这种反应在宇宙中非常普遍，所有自发光的天体（即恒星）都是天然的聚变体。距离我们最近的恒星是太阳，在太阳内部约有百分之一的区域称为日核区，这里温度极高、压强极大，如此环境使得聚变反应持续发生。所以，太阳的光和热来自核聚变产生的能量，而 EAST 就是研究如何持续约束和控制核聚变反应的国之重器，也被形象地称为“人造太阳”。

目前，地球上使用的能源有 80% 来自煤炭、石油和天然气这类化石能源。但是化石能源是不可再生的，它在可预见的将来将会消耗殆尽，人类必须尽快找到更加持续、稳定和清洁的新能源。

如果可以建造“人造太阳”一类装置，实现像太阳一样的连续核聚变反应，我们便可以得到持续的能量产出，人类的能源困局和环境危机便会迎刃而解，因为“人造太阳”具有三大优势。

首先，原料储量巨大。相对容易实现且期望被率先实现的是氘 - 氚聚变反应。其中氘原料存在于海水中，地球上海洋面积辽阔，其中蕴藏了约 45 万亿吨的氘原料。一瓶矿泉水中的海水可提取约 0.015 克的氘，后者产生的聚变能相当于 150 升汽油，能让一辆汽车从北京跑到广州。

▲ 核聚变能效率极高且原料储量巨大

其次，氘 - 氚聚变反应的最终产物是氦和携带大量能量的中子，不会造成任何污染，对环境是友好的。

最后，核聚变反应具有本征安全特性，在极端失控条件下，它会在短时间内自行终止反应，安全可靠。

▲ 全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）

核聚变反应为何能产生如此大的能量？1905 年 9 月 27 日，爱因斯坦提出了著名的质能方程：E=mc² ，能量等于质量乘以光速的平方。质能方程的另一种表示是：ΔE=Δmc² ，产生的能量等于减小的质量乘以光速的平方。这预示着伴随着质量的亏损会释放出巨大的能量，由此开启了核能时代。

随着原子质量数① 的增加，每个核子（质子和中子）的平均质量会经历先减小后增大的过程，因此核反应存在两种：重核裂变与轻核聚变，对应的核能分别为核裂变能与核聚变能。

与核裂变相比，核聚变反应的效率更高，但实现难度更大。核聚变反应需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间。原子核只有在极高温度（1 亿摄氏度以上）下才具有足够的能量克服彼此间的库仑势垒② ，以启动和维持核聚变反应；保持一定的密度（粒子浓度）才能提高原子核的碰撞效率，以获得足够的有效反应；高能量约束时间意味着良好的隔热性能，以保持反应物高温。

更为困难的是让上述核聚变反应可控和持续。反应物在极高温下会完全电离，变为一团由裸露原子核和自由电子组成的电离气体，即等离子体。倘若让这团等离子体置身于有磁场的空间，情况则会发生变化，带电的原子核与电子在垂直于磁场的方向上不再自由，受到磁场作用力的带电粒子只能沿着磁场方向做螺旋运动。因此，磁约束核聚变是实现“人造太阳”梦想的有效途径。

▲ 托卡马克装置磁约束原理示意

20 世纪 50 年代，苏联科学家提出一种名为“托卡马克”的环形磁约束聚变装置，其显著特征是环形真空室，这里是高温等离子体发生核聚变反应的场所。在俄文中，托卡马克一词由环形、真空室、磁、线圈的前几个字母组成。环形磁约束位形有可能建造聚变反应堆。

① 原子质量数是指一个原子核中含有的质子和中子的总数。

② 库仑势垒是指两个原子核接近至可以进行核聚变所需要克服的静电能量壁垒。

2006 年 9 月 28 日，新一代“人造太阳”装置 EAST 由中国科学院等离子体物理研究所（简称“等离子体所”）建成，并首次等离子体放电成功。EAST 是世界上首台全超导托卡马克装置，其内部 30 个超导线圈在极低温条件下具有零电阻效应，因而可以产生稳态的约束磁场，使聚变堆稳态运行成为可能。

在 EAST 高 11 米、直径 8 米的主机中，集成了超高温（亿摄氏度等离子体）、超低温（-269 摄氏度超导线圈）、超高真空（大气压的百亿分之一）、超强磁场（地磁场的数万倍）、超大电流（普通插线盒的千倍以上）五大极限工况。所以 EAST 的设计建造是一项极为复杂的工程，它的成功也带动了我国聚变工程技术的进步，让我们从依赖进口转为关键技术出口。

EAST 装置具有三大科学目标：1 兆安等离子体电流、1 亿摄氏度高温等离子体、1000 秒运行时间。建成于 2006 年的 EAST 装置累计等离子体放电次数超过 10 万次，先后于 2010 年运行 1 兆安等离子体电流，2021 年 5 月 28 日实现可重复的 1.2 亿摄氏度 101 秒和 1.6 亿摄氏度 20 秒等离子体运行，2021 年 12 月 30 日实现 1056 秒长脉冲高参数等离子体运行，三大科学目标已经分别独立完成。

成立于 1978 年的等离子体所，先后建成并运行了四代托卡马克装置，实现了我国聚变研究从跟跑到并跑再到领跑的跨越。我国于 2003 年正式加入国际热核聚变实验堆（ITER）计划，这是迄今为止我国参与最大的国际科技合作项目。等离子体所团队作为重要成员，承担了中国关于 ITER 份额 70% 以上的科研任务。

受控聚变研究的终极目标是要建造原型聚变电站，在规划里，中国聚变工程试验堆（CFETR）是关键一步，目前等离子体所团队已联合国内相关单位完成了 CFETR 的工程设计，并稳步推进聚变堆主机关键系统综合研究设施建设。他们有一个共同的梦想，就是让聚变能的第一盏灯在中国点亮！

▲ 中国聚变工程试验堆（概念设计图）

全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）首次成功放电

EAST 辅助加热系统项目工程开工，标志着该装置进入“第二阶段”

EAST 实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录

EAST 物理实验实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒等离子体运行和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行

实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，再次创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录

编者：知乎

出版社：中国科学技术大学出版社

出版时间：2022年7月

2011—2021年，我国重大科技基础设施建设水平不断提升，在重点科技前沿领域取得了一批具有世界影响力的原创成果。本书分为基础科学、前沿科技、经济助力与健康保障四篇，邀请30余位各领域一线科技工作者撰文，以问答形式，从科学家的视角为读者科普50项国之重器背后的基础科学知识，帮助读者了解其建造意义及应用前景，拉近读者与科技前沿的距离。本书以大量手绘图解为辅助，从整体和细节上全面展现重器之美，便于读者理解和欣赏。

本书还收入同步辐射光源、“中国天眼”、中国空间站、高速风洞等重大项目的发展经历及团队侧写，由亲历者讲述重器研发背后的故事，深度挖掘我国几代科学家胸怀祖国、攻关创新、勇攀世界科学高峰的事迹，弘扬科学家精神。

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