中国人造“太阳”

　　2017年，中国的超导托卡马克实验装置（EAST）在全球首次实现了上百秒的稳态高约束运行模式。这个里程碑式的突破，为中国下一代核聚变装置的建设和国际核聚变清洁能源的开发利用奠定了坚实的基础。

　　那么，这个听起来略拗口的“托卡马克实验装置”到底是什么呢？

　　也许大家对EAST的学名：大型非圆截面全超导托卡马克装置很陌生，但如果说“人造小太阳”，可能很多人就比较熟悉了。如果做一个对比，一个一百万千瓦电站需要50万吨煤，核电站需要30吨核燃料，而同样级别热核聚变电站仅需要100公斤重的水和锂。同时，与目前的核电站相比，热核聚变安全性更好，也更清洁，因为它的产物只有 氦气。

　　人类对于核聚变的认识源于对太阳的研究。太阳，可以看作一个巨大的核聚变反应装置，其核心温度高达1500万摄氏度，气压达3000多亿个标准大气压，在这样高温、高压条件下，氢原子核聚变成氦原子核，并释放出巨大能量。太阳能是地球上各种能量的源头，如果人类能造出一个“太阳”，成功实现核聚变，或许可以解决地球即将面临的能源危机了。

　　多年来，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。而中国科学家很早便开始了这项研究，其中我国著名原子能研究专家王乃彦院士在上世纪80年代便开始了这项研究。

　　目前，全世界的科学家都在核聚变研究领域竞赛。中国科学家虽然取得了一些研究成果，但在当时，苏联走在了世界前列，他们发明了托卡马克实验装置。中国科学家决定引进消化吸收，先追赶上国际先进步伐。

　　他们买来托卡马克装置，用了近4年时间进行拆装、实验，最终在这个装置上做到了1000万摄氏度持续60秒放电。

　　那么下一步的研究重点便是如何制造出“人造太阳”。科学家们想，只要把受控核聚变装置内的温度加热到上亿度，发生聚变后就能产生巨大的能量。可是，上亿度高温等离子体火球怎么能装到普通容器里呢？科学家想到可以用磁场的方法将火球悬浮起来，在不与容器周边的材料接触的前提下，进行加热、控制，进而造出“太阳”。

　　然而，需要悬浮起的这团等离子体火球并非普通磁场，而是比地磁场还要高两万倍以上的一个巨强的磁场。除此之外，还有两大难题：一是为了使核聚变长久稳定，必须要把上亿度的磁笼子悬浮超导圆环里面；二是将聚变的范围和时间精确到零点几毫米、甚至零点几毫秒以下。

　　为了解决这些难题，中国科学家花了10年时间，在托卡马克的基础上，自主设计和建造出全世界首个全超导非圆截面核聚变实验装置——“东方超环”EAST。

　　它高11米、直径4米、重达400吨。通过这个实验装置，人们将最终可以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，为人类提供清洁能源。它能用超导线圈使等离子体火球悬浮起来，控制在中心位置不偏离，减少能量损失。中国的“人造太阳”装置真正具有了“超高温”“超低温”“超大电流”“超强磁场”“超高真空”等极限条件，它的成功建设和运行是中国核聚变研究的里程碑式突破。

　　从设计到建设，“东方超环”EAST项目的国产率达到90%以上，自研率在70%以上，同时还取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。

　　2017年，中国的人造太阳装置实现了5000万摄氏度持续时间百秒以上的稳定长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录。这标志着EAST成为了世界上第一个实现稳定高约束模式运行持续时间达到百秒级的托卡马克核聚变实验装置。

　　事实上，与目前全球规模最大的能源合作项目，也是世界上第一个真正意义上的“人造太阳”——国际热核聚变实验堆ITER相比，EAST只有其1/4大小。然而，麻雀虽小，五脏俱全，EAST的成功经验已经支撑了ITER的建设，并在ITER项目七方采购包进度中已成为第一位。

　　EAST也带动着中国核聚变相关高科技加工业的发展。人造太阳在材料上具有着加工难度。要控制上亿摄氏度的等离子体，第一层屏蔽层重量就达8000吨。等离子体的导体上一根根看似普通不过的导管，其实有1000根头发丝一样细的导线拧成的超导电缆，这些材料价值不菲。这些也是EAST的“生命线”。为了使等离子体和装置内壁保持一定距离，绝不能离开这些超导线。它们在通电后形成强大的电磁笼，从而使等离子体悬浮起来。而这些材料完全是中国制造的。

　　中国下一代核聚变装置——中国聚变工程实验堆CFETR已于2011年开始进行设计研究。该项目设计方案可与国际热核聚变实验堆ITER相衔接和补充，也推动了广泛的国际合作。有了它以后，中国有望在几十年内实现“人造太阳”产生的能量商业化使用，开启人类能源利用新征程。