5月28日凌晨，中科院合肥物质科学研究院有“东方超环”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度×101秒等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。

中国“人造太阳”实验刷新世界纪录，意味着人类让核聚变成为取之不竭用之不尽清洁新能源的努力，又取得了一次突破性进展。

而从某种程度上说，氢核聚变这道难关决定着人类的生存与毁灭。解决了，人类物质文明可以升级发展；解决不了，人类将陷入空前的危机。

【核聚变】

一种原子核变化为另外一种原子核，往往伴随着巨大的能量释放。

如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变。

核聚变损失的质量比例更大，放出的能量比核裂变的更大。

每克氘聚变时所释放的能量为5.8×10^8kJ，七倍于每克铀235裂变时所释放的能量8.2×10^7kJ。

在太阳的中心，温度高达1500万摄氏度，气压达到3000多亿个大气压。核聚变反应每秒钟要消耗掉约500万吨的物质，并转换成能量释放出来。

几十亿年来，太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置，连续进行着氢聚变成氦的过程，无休止地向外辐射着能量。

太阳和其它恒星的动力，都来自聚变能。可以说，核聚变照亮着宇宙。

从某种意义上说，人类早就开始间接地利用核聚变产生的能量——地球万物所依赖的能量，绝大部分都可追溯到太阳。

人类在地球上利用的煤、石油、水能、风能、太阳能以及享用的食物，归根结底都是太阳的聚变能。

(只有核裂变能、以及地球内部裂变带来的地热能除外)

但人类社会发展到今天，仅靠太阳远远传递过来的可用能源已经不够用了。

人类不能满足于这种低水准的间接利用，渴望着能在地球上营造出人造太阳，直接掌握这种强大的核子能量。

【可控核聚变的难点：人造超高温】

核裂变可以自发地进行(核电站)，也可受激进行(原子弹)，但即便是受激进行，也只需高能炸药营造的压力即可。

核聚变要在超高温超高压条件下进行，这就是核聚变难以实现的原因。

用核聚变原理造出来的氢弹，就是靠先爆发一颗核裂变原子弹而产生的超高光压能量，来触发核聚变反应，使氢弹得以爆炸，释放出极大的能量。

目前人们只能在氢弹爆炸的一瞬间实现非受控的人工核聚变。而要想巨大能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。

在第一颗原子弹爆炸后仅十多年，人们就建成了裂变核电站。但至今可控核聚变的商业利用仍遥遥无期。

太阳核心的温度有1500万度，但更重要的是有3000多亿个大气压的高压，即便这样也只能够进行低效率的质子聚变。

而人造的物理环境很难实现超高压与超高温兼得，这意味着，人类必须制造出比太阳更极端的高温环境——

在温度这一项数值拉满，超过1亿、10亿度，比太阳中心热70倍；相反，在密度上就只能搞近乎真空（大气压万分之一）的低密度。

按照理论，要建成聚变电站，科学家只需建造一个高温高压区域，把氢原子的同位素氘压迫在这个区里，用来迫使氢原子克服电荷间极大的斥力聚合。

当两个原子核聚合时，释放的能量将能弥补为使它们聚合而施加的能量。

在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。

当等离子体的温度达到几千万摄氏度甚至几亿度时，原子核就可以克服斥力聚合在一起。

如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。

【商业核聚变的难题：超高温并维持】

但是——没有任何材料能经受得起10亿度的高温，物理学家计划通过巧妙构造非接触支撑（磁场或激光），使聚变的等离子体悬浮在真空中，从而将其约束住。

并通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量，使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。

受控核聚变不仅要构建10亿度以上的熊熊火炉，还需要长时间维持。

早在1957年，英国物理学家劳森（John D. Lawson）就提出了一个准则：

等离子体的温度、密度和约束时间，三者的乘积称为“聚变三重积”，当它达到10^22时，聚变输出的功率，才等于为驱动反应而输入的功率，反应能自持进行。

而超过这一基本值，聚变体输出的功率，才大于为驱动反应而输入的功率，成为“有利可图”的能源输出。

而这个数值非常之高、实现之困难，温度×密度×约束时间＞10^22，22个0就是0000000000000000000000。

由于这一苛刻要求，受控核聚变至今没有实现可利用的能量输出。

【托举在空中的烈火】

二战末期，苏联和美、英各国的科学家在互相保密的情况下开展了受控核聚变有关工作。苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇于1954年建成了第一个磁约束装置。

但人们很快发现，理论上估计的等离子体约束时间与实验结果相差甚远。人们开始认识到核聚变问题的复杂和研究的艰难。

在这种情况下，苏、美等国感到保密不利于研究的进展，只有开展国际学术交流，才能推进核聚变的深入研究。

另外，磁约束核聚变与热核武器在科学技术上没有重大的重叠，而且其商业应用的竞争为时尚早。

于是，1958年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成协议，各国互相公开研究，开展国际学术合作。

核聚变有两个分支，之一为磁场约束受控核聚变。

这一形如面包圈的环形容器名为托卡马克(TOKAMAK)，为该分支最具代表性的装置。

托卡马克是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的俄文缩写，通过巧妙构造磁场，使带电的聚变等离子体悬浮在真空中，从而将其约束。

托卡马克中等离子体的束缚是靠纵场(环向场)线圈，产生环向磁场，用来约束电离了的超高温等离子体。

极向场则控制等离子体的位置和形状，中心螺管也产生垂直场，形成环向高电压，激发等离子体，同时加热等离子体，也起到控制等离子体的作用。

这里的密度是大气压的万分之一，温度却达到上亿度，氘氚原子核在猛烈地对撞，发生核聚变变成氦、中子和能量。

这是1950年代初苏联杰出的物理学家塔姆(Igor Tamm)和萨哈罗夫(Andrei Sakharov)提出的概念。

【托卡马克装置发展史】

自这次会议后，50年来，全世界共建造了上百个托卡马克装置，在改善等离子体加热和磁场约束上下足了功夫。

在托卡马克装置上努力提高“聚变三重积”，提高能量增益因子Q值（即输出功率与输入功率之比）一直是核聚变研究的核心目标。

早在1933年，人们用加速器使原子核获得所需的动能，在实验室实现了核聚变。可是从这样的核聚变中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多，根本无法获得增益的能量。

直到1970年，前苏联在托卡马克装置T-3上，才有可以察觉到的核聚变能量输出，能量增益因子Q值为十亿分之一。等离子体约束时间很短，大多以毫秒计算。

从1970年代末开始，美、欧、日、苏开始建造四个大型托卡马克：

即美国的聚变实验反应器TFTR，欧洲建在英国的欧洲联合环JET，日本的JT-60和原苏联的T-15，它们是后来在磁约束聚变研究中做出了决定性贡献的四个装置。

1991年11月9日，欧共体的JET装置运行实验核聚变反应持续了2秒钟，等离子体温度达到3亿摄氏度，获得的聚变输出功率为1700千瓦，能量增益因子Q值达0.11-0.12。

这是人类历史上第一次用可控方式获得的聚变能，意义十分重大。

1993年12月9日和10日，美国在TFTR装置两次实验释放的聚变能分别为3000千瓦和5600千瓦，能量增益因子Q值达0.28。

1997年9月22日，联合欧洲环JET又创造输出功率为12900千瓦的世界纪录，Q值达0.60，持续时间2秒。仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦，Q值达到0.65。

1997年12月，日本声称在JT-60上实现了Q值1.25，三重积达到1.5×10^21，然而在成千上万次实验中，仅有这1次达到，无法再可重复。

因此，到目前为止，等离子能量盈亏平衡从未在聚变装置中实现过，JET在1997年创造的能量释放的纪录也保持至今。

其能量输入输出比值Q达到0.65，但不但没有实现盈亏平衡，距离聚变电厂要求（30~50）更是有很大差距。

【技术难关——加热、维持、防破裂】

要实现核聚变发电，如何实现上亿摄氏度和等离子体稳定长时间约束控制，是尤为困难的两大难点。

持续、稳定、高约束的高性能超高温等离子体，是可控核聚变的核心。

防止等离子体破裂，维持等离子体尽可能长时间高温运行，是托卡马克的关键。

高温下粒子的碰撞使粒子分批地横越磁力线，携带能量逃逸；等离子体边界逐渐模糊，最终从磁笼里钻出去，打到反应室的内壁上。

这些年来，各国的托卡马克装置性能不断上升，加热温度从1000万度上升到几亿度，产生的等离子体在密度和维持时间上也提升了几个数量级。

当然，与稳定的达到和越过1022的“聚变三重积”还有那么一段距离。

在向“聚变三重积”不断突破的过程中，遇到的新麻烦还有——在加热等离子体的过程中能量耗散严重，温度越高，耗散越大。

另外，研究和改进磁场的形态和性质，以达到等离子体长时间的的稳定约束，使得反应堆连续稳态运行是受控核聚变研究的另一个重点。

约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。

为了维持强大的约束磁场，需要非常强大的电流，时间长了，线圈就要发热。

从这个角度来说，常规托卡马克装置不可能长时间运转。

为了解决这个问题，人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中，应用于产生强磁场的线圈。

超导线圈-超强磁场是公认的解决聚变等离子体维持问题的途径。只有建成全超导托卡马克，才能使磁约束连续稳态运行成为现实。

【另一种可控核聚变手段】

可控核聚变的另一条技术路线于20世纪60年代初提出。

它的基本原理是把强大的激光束聚焦到热核材料制成的微型靶丸上，在瞬间产生极大的压力，压迫原子碰撞完成核反应，这就是“惯性约束聚变”(ICF)。

目前最著名的激光型核聚变装置是美国的“国家点火设施”(NIF)，这个设施位于加州的劳伦斯-利福摩尔国家实验室，从1997年开工，2009年建成，总计耗资35亿美元。2010年开始启动实验。

这是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统，为了产生聚变所必须的高温和高压，NIF将汇聚其192束激光束同时照射在一个直径为0.44厘米的氢同位素靶丸上。

总计200万焦耳的能量激光束将通过各自窗口进入目标舱内，向容纳靶丸的小金属圆柱体汇聚。误差不能超过30万亿分之一秒。

激光束进入小金属圆柱体内部后，从各个方向压缩和加热氢燃料球，产生超过1000亿个大气压的压力，还能够将其加热到约300万摄氏度。在此情况下引发聚变反应，温度可达到1亿度。

这样的极端条件可以模拟出只有在天体或核爆炸过程中才可能有的高压、高温、高密度的极端物理条件。

但目前来看，激光型核聚变装置缺乏转化为商用的可能。而且，这类装置也缺乏将聚变产生的能量稳定地源源不断引出、转化为电能的手段。

显然，激光型核聚变只适用于模拟核爆炸、基本粒子研究，难以发展成发电设施。

【中国可控核聚变研究史】

中国从上世纪60年代开始研究可控核聚变，相应建立了一些研究机构。

为了培养专业人才，还在中国科技大学、大连理工大学、华中理工大学、清华大学等高等院校中建立了核聚变及等离子体物理专业或研究室。

位于四川的核工业西南物理研究院于1983年建成了中国环流器一号(HL-1)，标志着中国核聚变研究从理论进入试验阶段。

1990年代又建成环流器新一号(HL-1M)，2002年12月该院又利用德国赠送的一套退役装置，建成中国环流器二号A。

苏联解体前，无偿向中国赠送一套原价值约1500万美元、纵向超导的T-7托卡马克装置。

1994年底在中国科学院合肥等离子体物理研究所安装建好，称之为HT-7，1995年初正式投入物理实验，经不断大幅度改造，它已成为一个宠大的实验系统。

它包括HT-7超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和数据采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统以及数十种复杂的诊断测量系统。

HT-7取得若干具有国际影响的重大科研成果。2003年，首次获得超过1分钟的等离子体放电。2008年3月31日，更是实现了400秒的等离子体放电世界记录。

【世界上首台全超导托卡马克装置EAST】

在HT-7的基础上，等离子体物理研究所研制和设计了全超导托卡马克装置HT-7U，后来名字更改为EAST（即Experimental Advanced Superconducting Tokamak，实验型先进超导托卡马克，同时具有“东方”的含意)。

作为中国国家大科学装置之一，建设花费6年时间，前后投入经费3亿元人民币。与国际同类实验装置相比，EAST使用资金最少、建设速度最快。

EAST是世界上首台全超导托卡马克装置，具有开创性的意义，中心场强达3.5特斯拉，受到国际同行的瞩目。

（此前，法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导的托卡马克装置在运行，它们都只有纵向场线圈采用超导技术，属于部分超导。）

另外，EAST首次在国际上采用全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器等关键技术。

必须同时解决超大电流、超强磁场、极度高温、超低温等极限环境，牵涉真空、磁场、控制、等离子体、原子核和超导等诸多领域的科学和技术难题。

国际专家普遍认为，其工程建设和等离子体稳态运行模式研究将为“国际热核聚变实验堆”(ITER)的建设提供直接经验和基础。

中国在EAST装置进行的三大实验目标，是产生≥100万安培的等离子体电流、在高功率加热下电子温度将超过1亿摄氏度、持续时间将达到1000秒。

2017年EAST装置是5000万度101秒，破了记录。

2018年底达到1亿度运行。2020年4月份，达到1亿度10秒。

2020年12月28日，韩国超导托卡马克高级研究（KSTAR）创造当时新的世界纪录，其离子体在超过1亿摄氏度下维持了20秒钟。

现在，中国研究人员实现了1.2亿度101秒等离子体运行，把一年前获得的1亿度20秒的纪录提高了5倍，又向前迈出了重要一步。

EAST的工程目标，是达到1亿度稳定运行1000秒，达到了，那就是真正里程碑式进步。

【多国联合推进“人造太阳”计划】

由于认识到核聚变是解决人类未来能源的终极目标，因此，国际上核聚变研究既有合作，也有竞争。

国际热核实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，即ITER)是介于当前的等离子物理实验装置和未来的核聚变发电站之间的一个试验性步骤，其目标是要建造第一个可自持燃烧的核聚变实验堆。

在1985年11月的日内瓦峰会上，苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根倡议提出ITER计划。

此时美苏关系解冻、东西方冷战终结，两个超级大国需要用一个和平项目来显示合作的诚意。一个大规模的核聚变研究项目，符合人类长期发展的共同利益，和平而且清贵，正合乎核裁军后的政治需要。

1988年，美苏欧日共同启动ITER计划。经过13年共同努力，耗资约15亿美元，在1991年完成概念设计的基础上，199年完成工程设计及部分技术预研。

在汇集世界聚变研究主要成果的基础上，于2001年7月完成ITER工程设计最终报告。在法国南部马赛附近建造一个实验反应堆。

ITER计划由中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方共同实施。参与方占全球60%的人口和80%的GDP。

2006年5月24日，参加这一项目的7方代表在欧盟总部布鲁塞尔草签了一系列相关合作协议，标志着这项计划开始启动。

欧盟承担50%的费用，其余6方分别承担10%，超出的10%用于支付建设过程中由于物价等因素造成的超支。

作为聚变能实验堆，ITER的目标是等离子环比JET大40倍，约束在体积达837立方米的磁笼中，产生50万千瓦的聚变功率，离子温度1.5亿度，维持至少400秒，放电3000秒，能量增益Q＞10。

ITER是世界上最大的托卡马克装置，是之前各种技术的集大成者。50万千瓦热功率，已经相当于一个商业核电机组的水准。

ITER也是中国第一次以平等身份参与的大型国际科技攻关项目。作为参与方之一将承担超导材料、电源、包层、遥感技术和加料系统等五大领域的工程任务。

在知识产权方面，ITER项目尊重各成员方及国内实体的原有知识产权，中方有权使用ITER计划工程设计阶段的技术成果，对ITER计划实施中新增的知识产权，平等享有获得许可使用的权利。

参加ITER计划，彰显出中国积极参与国际科技合作、充分利用国际科技资源促进自主创新的雄心和决心。

ITER的主要技术探索任务有：

1、探索新的加热方式与能量损失机制；

2、用环向超导磁体产生5.3特斯拉的强磁场，实现长脉冲的维持，改善等离子体的约束性能；

3、研究等离子体边界的行为及最佳的控制条件，防御大尺度等离子体的破裂，探索等离子体密度极限；

4、研制防高能中子辐照材料，研制研制在恶劣工况下长寿命的反应室内壁材料；

5、解决反应室加料排废、主动冷却、连续供电功能，探索聚变堆的最佳化设计。

为了达到聚变所要求的条件，ITER已经变为一个高度复杂的装置，十八般武艺全用上了，其中有超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境，对工艺和材料也提出了极高的要求。

但因为各种原因一拖再拖，直到现在还没有投入使用。2020年7月28日，ITER重大工程安装仪式在法国该组织总部举行。

最乐观的预期是 ITER 顺利地于 2025 年放电，如果前期地等离子体实验结果较好，那么商业示范聚变堆（Q＞30）的建设将会在 2030 年左右被提上日程。

【从物理实验装置到商用核电站】

在 ITER 之前，EAST依然是世界上最重要的托卡马克实验基地，重要使命就是如何探索对等离子体长时间约束的新手段。

上个世纪的大型托卡马克TFTR已经实现过离子温度3亿度的反应，但是维持不了长时间。

除了当时的超导磁体技术不支持长脉冲以外，等离子体的损失也是制约聚变的一大难题。半个世纪以来，通过剪切流约束抑制离子损失的机制已经研究的比较清楚，但是对电子的损失仍然束手无策。

磁场约束的等离子体必须为准中性，即电子和离子的电荷量基本相当，如果电子都跑光了，离子也不可能通过磁场约束住。

而聚变等离子体中含有电子与离子，实验中两类粒子的温度需要分别计算。此次EAST实验中实现的1. 2亿度是电子温度，而离子温度则会比这个温度低三到四倍。

这一方面是因为 EAST 的离子加热手段不足，另一方面，达到接近聚变的离子温度也并不在 EAST 的设计目标内。

它的任务就是在 ITER 之前探索相对高参数的稳态运行，尤其是研究电子损失这一老大难问题。

另外还有西南新建的环流器二号M(HL-2M)比EAST更先进，2020年12月4日在成都建成并实现首次放电，争取早日达到亿度千秒。

等离子体体积达到EAST的2倍以上，等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上，等离子体的离子温度可达到1.5亿度。

等到世界上首个大尺度的 ITER 建成之后，实现聚变点火更高等级、更长时间放电就更进一步了。

而比EAST大10倍的ITER，能否实现稳态、可控的聚变点火，对中国自己的商业示范聚变堆CFETR也意义重大。

CFETR 将是一个参数比 ITER 更高的装置，属于商业示范堆（Q＞30），计划由我国自主建设。

现阶段 CFETR 尚未立项，是在等 ITER 的实验结果。如果 ITER 的实验结果比较好，证明可行，那么 CFETR 就会迅速上马，开始建设。

以我国的资源统筹能力，它的建设无疑会比 ITER 快得多。

预计将在2030年开工，2035～2040年建成并投入使用。顺利的情况下，CFETR 会在 2040～2045 年开始进行象征性地并网发电。

此后就会是聚变能源逐步提升经济效率，商业化的过程了。

【核聚变是理想的终极能源】

核聚变较之核裂变有两个重大优点。

一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。

氘是相当丰富的氢同位素，氘和氢原子数量比为1∶15000，质量比为1∶7500，每升海水中含0.03克氘，地球上海水总量约为10^18吨，所以仅海水中就有45万亿吨氘。

提炼氘比提炼铀容易得多，几乎是取之不竭的能源。1升海水中所含的0.03克氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油的能量。

在可以预见的人类生存的时间内，45万亿吨氘足以满足未来人类对能源的需要，

核聚变第二个优点是既干净又安全。

聚变产物是稳定的氦核，不产生有害及温室气体，没有难于处理的高放射性核废料。

聚变需人为制造高温，一有意外停止供能，等离子体不复存在，反应随即停止；

同时等离子体处于高真空状态，假如装置发生泄漏，是外界大气向里涌入，温度迅速降低，聚变也立即停止。

当然，还是有一点污染问题。

氘-氚聚变反应产物是氦4（4He）和中子，中子不带电，所以不受磁场约束；中子飞出真空室，打在外围的实验装置上，容易产生半衰期很长的放射性元素，有一定污染，但比核裂变电站的高能核废料轻微得多。

目前科学家在寻找被中子轰击后不容易产生长效放射性元素的材料，用于做真空室的墙壁屏蔽中子。

【拯救人类的命运】

能源短缺是当今世界各国面临的共同问题。随着经济的发展，现代化生存方式在全球的普及，人类对自然资源的消耗速度仍在加速：

在不知不觉中，一个令人忧虑的未来已经横亘在人类面前不远处——

如果不采取措施，人类在未来200年里将耗尽地球在过去数亿年间蓄积的化石能源(煤、石油、天然气)，并将给因二氧化碳的温室效应，给气候带来巨大的影响。

风能、太阳能等新能源无法形成规模，铀的探明储量也只能开采100年左右，都远远不能满足未来需求。

如果按照人类目前的繁衍和消耗速度，短则50年，长则100年，人类的现代物质文明就会进入无法发展甚至中断发展、向后倒退的死胡同。

未来如果实现“人造太阳”产能和供能，彻底摆脱对化石燃料的依赖，对于整个人类世界将是比工业革命更能推动社会进步的又一次科技革命。

跟整个人类历史发展的长河相比较，如果能“一劳永逸”地解决人类的能源需要，解决人类可持续发展最重大的问题，将能造福我们的后代子孙。

从 EAST 到 HL-2M，再到国际合作的 ITER，最后是未来中国自主研制的CFETR ，中国科学家正一步步稳步地推进这个目标，为中国未来自主开展核聚变示范堆乃至商用堆设计、建造奠定基础。

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