“东方”之光

叶华龙

太阳普照大地，孕育万物，其能量来自于其内部一刻不停的核聚变反应。如果人类能够掌控核聚变反应，就如同把握了开启能源宝藏的钥匙。在世界的东方，有一群中国科学家正在为构建“人造太阳”而不懈地努力着。

核聚变能：人类未来的理想新能源

煤炭、石油、天然气这类化石能源终将因其不可再生而枯竭，人类未来的命运寄托在寻找更加持久的清洁能源上。能量巨大又不受制于地理条件限制且可作为主力能源的当属核能。核能可分为核裂变能与核聚变能。前者已经被人类利用发电，但裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，放射性核废料的处理也是难题；而核聚变能却不存在上述问题，具有先天优越性。核聚变能的物理基础是氢的同位素氘和氚发生聚变核反应。氘和氚基本没有放射性，两者聚变反应的生成物是氦气，对环境完全无害。而且核聚变的原料储量也很丰富，氘可以直接在海水中提取，氚则可以通过氘和锂反应产生。据估算，一升海水中提炼出来的氘经过核聚变反应释放出的能量相当于300升的汽油。

因此，核聚变能凭借资源无限、清洁环保、不产生高放射性核废料等优点，是目前找到的可以最终解决人类能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。如果人类掌握了核聚变能源，将拥有可使用10亿年的清洁能源，它是人类未来能源的希望所在。

托卡马克：“人造太阳”核聚变实验装置

能源前景固然美好，但在地球上实现持续核聚变所需的条件非常苛刻，只有在上亿摄氏度的高温等离子体环境下才能实现自发的持续核聚变反应。在地球上如何盛载上亿摄氏度的高温等离子体并加以约束控制，让它们在其中持续性地发生核聚变，便是重大挑战之一。

20世纪50年代，苏联科学家提出了磁约束的概念，并建成了一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器装置，称为托卡马克（Tokamak，俄语“磁线圈环形真空室”的缩写）。托卡马克是一个由封闭磁场组成的“容器”，形状类似汽车的内部轮胎。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，带电粒子会沿封闭的磁力线做螺旋式运动，上亿摄氏度高温的等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中。

磁约束是实现受控核聚变的一种可行的途径，是利用磁场来约束温度极高的等离子体的核燃料以使其反应。核聚变能与太阳产生的能量方式相同，因此受控热核聚变实验装置被人们称为“人造太阳”。托卡马克并不是在地球上真正制造一个小太阳，而是指其产能原理与太阳相同。托卡马克是人类为尽早开发聚变能研制出的一种实验装置。托卡马克核聚变实验装置被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径之一，是地球寻找能源出路的希望。

EAST托卡马克：推动我国聚变研究走在国际前列

中国科学院等离子体物理研究所（以下简称等离子体所）成立于1978年9月，主要从事高温等离子体物理和受控热核聚变及其相关高技术研究，以探索、开发、解决人类无限而清洁的新能源为最终目的。等离子体所先后建造并运行了中小型托卡马克装置HT-6B和HT-6M，超导托卡马克HT-7和EAST四代装置。由等离子体所自主设计、研制并完全拥有知识产权的EAST，是世界上第一个非圆截面全超导偏滤器托卡马克。EAST既是“先进实验超导托卡马克”的缩写，又有“东方”的含意，故EAST装置中文名为“东方超环”。

作为国家大科学工程之一，EAST项目于1998年获批立项，2000年开工建设，2005年底完成总装，2006年工程调试和放电实验一次成功。EAST辅助加热项目（EAST二期）2011年开工建设，2015年通过国家验收，不仅提前完成项目建设任务，而且辅助加热系统达到或超过设计指标。EAST装置研制过程中，等离子体所解决了一系列关键技术难题，自主发展了68项关键技术，自研率超过90%，形成了多个重大创新点，如大型超导磁体、超高真空、偏滤器、超导导体生产等，填补相关国内空白并具有广泛的应用前景，一些独创的技术得到了国际同行的赞赏和借鉴。

EAST装置因其独有的全超导、非圆截面及主动冷却内部结构三大特性和在高参数下开展稳态实验研究的能力，已经成为国际磁约束聚变装置中最前沿的国际开放的实验平台之一。EAST自2006年首次放电成功至今已开展了12轮物理实验，总放电超过80000次，先后创造多项托卡马克运行的世界纪录。其中2012年实现411秒2000万摄氏度高参数偏滤器等离子体和30秒高约束等离子体运行；2016年实现电子温度超过5000万摄氏度持续时间102秒的超高温长脉冲等离子体运行，以及获得超过60秒的稳态长脉冲高约束等离子体运行；2017年实现稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，EAST由此成为世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置；2018年实现了1亿摄氏度的等离子体运行。

这一系列里程碑性质的重要突破以及世界纪录表明，我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面走在国际前列。EAST的成功建设和运行被认为“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”，“EAST已成为国际磁约束聚变装置中最前沿的，以及未来五年世界上最有能力实现400秒長脉冲高性能等离子体研究的聚变装置”。

EAST项目的成功还促使等离子体所成为ITER（国际热核聚变实验堆）计划中国工作组最重要的单位之一。由欧盟、美、日、俄、中、韩、印七方共同承担的ITER计划是当今世界最大的多边国际科技合作项目之一。等离子体所承担了ITER中国采购包74%重要部件的研制任务。EAST团队推翻了原ITER电源和馈线的部分设计方案并修正提出了被国际专家组认为合理可行的新设计方案，消除ITER运行风险并促使中方ITER份额大幅度提高。等离子体所承担的ITER任务100%国产化并以优异性能指标通过国际评估，产品质量100%满足ITER要求，进度在七方参与国家中居前列，创造多项第一。

EAST团队在承担国家大科学工程项目和参加ITER计划过程中，坚持中国制造和中国创造，自主发展了超导、电源、低温、加热、材料等关键聚变工程技术，在工业界得到推广应用并促进国内高新技术企业的蓬勃发展。同时自主发展的若干关键聚变工程技术实现向欧美发达国家技术输出。如近5年来为德国ToreSupra装置设计加工离子回旋天线，向俄罗斯联合核子研究所NICA大装置提供高温超导电流引线，为法国原子能委员会WEST聚变装置研造离子回旋加热天线，为美国普林斯顿大学设计制造磁重联空间物理装置核心部件，为美国能源部设计制造整套超导馈线系统等，提升了我国聚变工程技术的国际竞争力。

CFETR：让核聚变能点亮世界第一盏灯

以获取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。等离子体所在参与ITER计划的同时，提出规划建设CFETR。等离子体所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，而且已经在CFETR设计方案的各项运行指标和关键等离子体参数、主机系统和内部部件、包层/第一壁技术、远程操作方案、先进偏滤器位形、辅助加热系统等方面开展相关预研并取得进展。

EAST作为合肥地区现有的三个“大科学装置”之一（另两个为稳态强磁场、同步辐射），立足核聚变工程技术和物理实验研究的同时，全面参与合肥综合性国家科学中心建设，开展并推动CFETR项目预研的实质性工作，希望建成我国自己的聚变工程实验堆，推动聚变能应用。在开发核聚变能的路上，中国已从“追赶者”到“并跑者”，再到如今成长为具备国际技术输出能力的“领跑者”。等离子体所一代又一代的科学家们数十年如一日，坚守人类的能源梦想，并为之奋斗不息，期待着核聚变能的第一盏灯首先在中国被点亮。