托卡马克核聚变

核物理学理论

托卡马克核聚变，也称超导托卡马克可控热核聚变（EAST）、超导非圆截面核聚变实验，核物理学重要理论之一，也是核聚变实现的重要途径之一。托卡马克核聚变是海水中富含的氕、氘在特定环境和超高温条件下使其实现核聚变反应，以释放巨大能量，世界各国科学家为已在20世纪中叶开始相关研发。

概念解读

托卡马克(Tokamak)核聚变是一种利用磁约束来实现受控的核聚变。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。

托卡马克核聚变的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

优势

相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度1keV，质子温度0.5keV，nτ=10的18次方m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克核聚变的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的STTokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克(Ormark)，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的TFRTokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥(Cleo)，西德马克斯-普朗克研究所的PulsatorTokamak。

超导技术在EAST中的运用

占发电量比重较大的核电站就是在控制之下的裂变能利用。托卡马克核聚变，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。上世纪末，科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克核聚变，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。

研发背景

能源是社会发展的基石。以煤炭、石油、天然气等化石能源替代柴薪的第一次能源革命带来了社会经济的飞速发展。然而这些宝贵的资源就这样被燃烧掉，同时造成了严重的污染。据估计，一百年后地球上的化石能源将会面临枯竭。面对着即将来临的能源危机，人类有了一个共同的梦想—寻求一种无限而清洁的能源来实现人类的持续发展。

托卡马克核聚变研究举步维艰，根本原因是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难。原子核之间的吸引力是很大的，但原子核都带正电，又互相排斥，只有当两个原子核之间的距离非常接近，大约相距只有万亿分之三毫米时，它们的吸引力才大于静电斥力，两个原子核才可能聚合到一起同时放出巨大的能量。因此，首先必须使聚变物质处于等离子状态，让它们的原子核完全裸露出来。然而，两个带正电的原子核越互相接近，它们之间的静电斥力也越大。只有当带正电的原子核达到足够高的动能时，这需要几千万甚至几亿摄氏度的高温，它们的碰撞才有机会使它们非常接近，以致产生聚合。

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。1952年，美国用原子弹爆炸的方法产生高温，第一次实现了大量氘、氚材料的核聚变。但这种方法的效果是，在极短时间内使核聚变释放出巨大能量，产生强烈爆炸，即氢弹爆炸。人类要和平利用核聚变，必须是可以控制的聚变过程。核聚变反应比较切实可行的控制办法是，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。因此，核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一。另外，对能量的约束要有足够长的时间。

二战末期，前苏联和美、英各国曾出于军事上的考虑，一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。

1954年，第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种磁约束的概念后，磁约束核聚变研究在一些方面的进展顺利，氢弹又迅速试验成功，这曾使不少国家的核科学家一度对受控核聚变抱有过分乐观的态度。但人们很快发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。经过了二十多年的努力，远未达到当初的乐观期望，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，各国互相公开研究计划，并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议后，研究重点转向高温等离子体的基础问题，从二十世纪六十年代中到七十年代，各国先后建成了很多实验装置，核聚变研究进入了一个新的高潮期，人们逐渐了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。随着核聚变研究的进展，人们对受控核聚变越来越有信心。

基本原理

核能是能源家族的新成员，包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能是重金属元素的核子通过裂变而释放的巨大能量。受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用实现了商用化，如核 (裂变)电站。裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量。开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。其实，人类已经实现了氘氚核聚变--氢弹爆炸，但那是不可控制的瞬间能量释放，人类更需要受控核聚变。维系聚变的燃料是氢的同位素氘和氚，氘在地球的海水中有极其丰富的蕴藏量。经测算，1升海水所含氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。特别的，聚变产生的废料为氦气，是清洁和安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是世界各国尤其是发达国家不遗余力竞相研究、开发聚变能的根本原因。

受控热核聚变能的研究主要有两种--惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变，后者则利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性，将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。

托卡马克(Tokamak)是前苏联科学家于20世纪50年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实，但相关结果都是以短脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行有较大距离。超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，是受控热核聚变能研究的一个重大突破。

超导不可能束缚高速带电粒子。假设两个距离很近的质子，往不同方向飞出，要同时束缚这两个质子，超导产生的磁场必须在很小的空间内有一个180度的方向改变。即便是超导体内的电子是悬浮的，也不可能实现这种磁场。磁场如果距离超导有一定的距离，不但难以在空间上发生突变，在时间上也难灵活改变。如果一个质子要飞出反应釜，磁场必须约束质子，可是质子一但改了方向，磁场要约束质子，也必须改方向。通俗地说，一个质子溜着超导体内的全部电子玩。电子本身是有质量的。电子要形成一个灵活的磁场，电子速度（速率和方向）就要不停的变。最后的结果就是超导体温度迅速增加，超导效果消失，质子飞出反应釜。

实验装置

“超导托卡马克核聚变”实验包括一个具有非圆小截面的大型超导托卡马克实验装置和低温、真空、水冷、电源及控制、数据采集和处理、波加热、波驱动电流、诊断等子系统。其中超导托卡马克装置是本项目的核心。而超导托卡马克装置又包括超导纵场与极向场磁体系统、真空室、冷屏、外真空杜瓦及面对等离子体部件等部件。承担各部件设计的工程技术人员，在充分集思广益、充分发挥创新能力的基础上,借鉴国际上同类装置的经验,通过一丝不苟的努力工作，各项工作的进展呈良性循环---设计推动了预研工作的进行，预研工作的结果又使设计得到进一步优化。

超导磁系统

超导纵场与极向场磁系统是HT-7U超导托卡马克的关键部件，结构复杂、技术难点多、难度大、涉及的不确定因素多。科研人员经过一轮又一轮的设计、计算和分析，对多种方案进行比较、优化，超导导体的设计已进入最后的实验选型阶段；线圈的设计已完成试验线圈的设计与绕制及原型线圈的设计；低温下高强度线圈盒的设计已完成各种可能工况下的力学分析与计算、传热分析与计算、电磁分析计算以及线圈盒焊接时的温升对超导线圈性能影响的试验等工作；低温冷却回路的设计已完成热的分析与计算及冷却参数的优化；超导导体接头已完成多种方案的设计、研制与试验，并确定了最终的结构形式；超低温绝缘子的研究已完成最终的设计与试制，进入批量制造阶段；超导线圈的真空压力浸渍的工艺研究在国内电绝缘的归口单位---桂林电科所及中科院北京低温中心的密切配合下已完成超低温绝缘胶的配方的研究，正在完成超低温绝缘胶真空压力浸渍的最终工艺试验。超导极向场的线圈位置优化和电流波形优化，使之既能满足双零和单零的偏滤器位形的要求，又能满足限制器位形的要求，这项工作经过反复的平衡计算与调试、比较，已经满足物理的要求，工程上线圈在装置上的位置以及线圈的截面形状均已确定。

真空室

真空室是直接盛装等离子体的容器，除了要为等离子体提供一个超高真空环境，要满足装置稳定运行时等离子体对电磁的要求以及为诊断等离子体的特性、等离子体加热、真空抽气、水冷及加料对窗口的要求、中子屏蔽的要求、还要满足面对等离子体部件定位和准直的要求。HT-7U真空室是双层全焊接结构，由于真空室离等离子体近，等离子体与真空室之间的电磁作用最直接，真空室上所受的电磁力最大，同时真空室要烘烤到250°C，因温度变化所产生的热变形大。设计人员考虑到以上这些因素，对真空室进行了所有可能工况下的多轮受力分析、电磁分析和传热计算，针对每一轮的计算结果对结构设计进行优化。已完成最新一轮满足各项要求的结构在各种工况下的静应力分析、模态分析、频率响应分析和地震响应分析，为设计的可靠性提供了充分的依据。真空室试验原型段的施工设计正在进行之中，真空室满足热胀冷缩要求的特殊支撑结构的试验平台正在制造过程中，真空室窗口所使用的各种异型波纹管的研制也在紧张的进行。

冷屏与外真空杜瓦

HT-7U的内外冷屏是超导磁体的热屏障，对维持超导磁体的正常运行发挥作重要作用。该部件的电磁分析、受力分析和传热分析的工作都已完成，对传热计算产生重要影响的表面辐射系数的测量已完成，该部件已进入工程设计的最后阶段，即将转入施工设计。外真空杜瓦是维持其内部的所有部件都处在基本无对流传热的真空环境中，因而是超导磁体与冷屏维持超低温的保证，同时也是其内部所有部件支撑的基础。该部件的力学分析和电磁分析已结束，施工设计已正式展开。

面对等离子体部件

面对等离子体部件直接朝向等离子体，其表面性质直接影响等离子体杂质的返流和气体再循环，等离子体的能量依靠面对等离子体部件的冷却系统输运到托卡马克外。面对等离子体部件相对等离子体的位置的优化正与德国马普等离子体所合作，利用他们的程序进行计算，已得出初步结果；直接面对等离子体的石墨材料正与山西煤化所合作研究，开发参杂石墨与石墨表面的低溅射涂层，用于石墨材料各项性能试验的大功率电子枪和实验系统正在装修一新的实验室中调试；用于试验水冷结构和石墨性能的面对等离子体部件的试验件已组装到HT-7超导托卡马克的真空室中，在即将进行的一轮试验中进行各项指标的测试。

装置技术诊断系统

装置技术诊断包括温度测量、应力应变测量、失超保护和短路检测等部分。温度测量从4.5k的液氦温度到350°C面对等离子体部件的烘烤温度，要测的温度范围大，且要使用不同的方法。特别是超低温下的温度测量，其温度计的标定费用高，科研人员积极发挥创新的能力，自己开发了一套温度标定系统，且在该系统上进行了HT-7U所有低温温度计的标定。应力应变测量、短路检测和失超保护的探测及放大电路已设计并调试完毕，数据采集和处理的专用程序也已进入调试阶段。

低温系统

低温系统是超导托卡马克核聚变实验装置的关键外围设备之一。它必须保障装置的超导纵场磁体和极向场磁体顺利地从室温降温至3.8-4.6K,并能长达数月保冷，维持超导纵场磁体正常励磁和极向场磁体快脉冲变化的所需的致冷量。HT-7U超导托卡马克装置的低温系统的2KW/4.4K工程设计已全面展开，部分外购设备已到货且已安装到位。新增两只100m3的中压储气罐已安装就序，新增100m3的低压气柜也一稳稳地安放在低温车间的一角，新建压机站的五台崭新的螺杆压机被整齐地安装在低温车间中间，一台氦气干燥器、一台吸附器和两台滤油器已安装完毕。原俄罗斯赠送的OPG100/500二号制冷机的改造工作已经结束，德国FZK赠送的300W/1.8K制冷机的恢复施工即将开展。螺杆压机站的电控部分和气、水、油管线的施工正在紧张地进行。

高功率电源系统

担负着向托卡马克提供不同规格的高功率电源，实现能量传输、功率转换、运行控制等重要任务。为等离子体的产生、约束、维持、加热，以及等离子体电流、位置、形状、分布和破裂的控制提供必要的工程基础和控制手段。HT-7U纵场电源与极向场电源已完成了系统的分析、计算和方案的比较、优化。在设计过程中，科研人员本着保证性能、节约经费的原则，不仅在设计方案上结合本所的具体情况作多种设计相结合的方法，而且充分利用本所的技术储备，积极发挥创新的能力，自行开发重要设备。极向场电源的关键设备，大容量晶闸管、直流高压开关和爆炸开关等只能以很高的价格进口，经科研人员的努力已完成单元技术试验，正在进行样机的试制。

真空抽气系统

为等离子体的稳定运行提供清洁的超高真空环境，为超导磁体正常运行提供真空绝热条件；充气系统则为真空室的壁处理和等离子体放电提供工作气体。真空抽气系统完成了总体布局设计，抽速和抽气时间计算;主泵、主阀、测量系统的选择和配备;完成抽气系统主泵和予抽泵16台合计58万元订货。真空抽充气系统的保护和控制已完成最终方案的设计。

低杂波电流驱动系统

不断地给等离子体补充能量，是保证托卡马克实现长脉冲稳态运行的重要手段，而离子回旋共振加热则是另一重要手段。HT-7U3.5兆瓦的低杂波系统已完成技术方案的设计，完成了波功率和相位监控、波系统的保护及波源的低压电源的方案设计，准备先期建设的1MW波系统的高压电源及波系统天线的试验件正在制造过程中。离子回旋共振加热已完成波系统的总体设计，确定了4MW/30-110Mhz的波系统方案；完成了波源设计，并正在建造一台1MW，脉冲可达1000秒的射频波源，预计2001年中建成并调试；已完成天线的调配系统设计，并正进行加工前的台面试验。

总控与数据采集系统

是对整个装置进行实时监测、控制与保护的分布式计算机网络系统。总控系统的安全巡检系统、中央控制系统、脉冲充气系统均已完成程序的设计，正在进行调试和预演；中央定时系统正在与国内相关单位合作研制，局域控制网正处于实施阶段。数据采集系统的VAX-CAMAC采集系统、PC-CA MAC采集系统、PC采集系统、VXI采集系统、分布式数据服务器、数据检索系统和数据采集管理系统均已完成程序设计，正在进行诊断测量系统是一双双监视等离子体的眼睛，给出等离子体在不同的时间和空间的品质特性。除了HT-7上准备移到HT-7U上的诊断测量设备外，作为托卡马克上的最重要的测量系统之一的电磁测量系统正在进行物理上的计算和磁探针、单匝环、Rogowski线圈、逆磁线圈、鞍形线圈等测量线圈的设计，由美国德克萨斯大学赠送的新型CO2激光器正在调试，它将用在HT-7U的远红外诊断上，其他诊断系统也在进行物理上的准备或设备上的准备。

中国EAST

中国在1956年制定的“十二年科学规划”中决定开展核聚变研究，经过不懈努力，到二十世纪八十年代，建成了中国环流器一号HL－1以及HT－6B、HT－6M等一批有影响的聚变研究实验装置。

等离子体物理所成立

中国科学院等离子体物理研究所成立于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。它是中国最重要的核聚变研究基地之一，是世界实验室在中国设立的核聚变研究中心，也是国际受控热核聚变计划ITER 中国工作组最重要的单位之一。

探索新能源过程

等离子体所先后建造了中小型托卡马克HT-6B和HT-6M，以及超导托卡马克核聚变 HT-7和全超导托卡马克核聚变EAST。尚在运行的HT-7超导托卡马克装置是中国第一个超导托卡马克，其实验研究取得了多项重大成果，是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。

EAST装置的主机部分

高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。学科涉及面广，技术难度大，许多关键技术在国际上尚无经验借鉴。特别是EAST运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境，从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温，给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求，其难度可见一斑。

EAST装置研制过程

等离子体所发展了一系列技术，一些技术国际领先，并有着广泛的应用前景，如大型超导磁体、超高真空、偏滤器、超导导体生产等技术。还有一些独创的技术得到国际同行专家的赞赏和借鉴，如将高温超导接头技术运用到托卡马克，并取得相当好的效果，极大地提高装置效率，该项技术已被国际ITER项目借鉴。

EAST的建设和投入运行

为世界近堆芯聚变物理和工程研究搭建起了一个重要的实验平台，为中国磁约束核聚变研究的进一步发展，提升中国磁约束聚变物理、工程、技术水平和培养高水平人才奠定了坚实基础。EAST是世界上投入运行的全超导磁体的托卡马克装置，将为国际热核聚变实验堆（ITER）的建设及聚变能的发展做出了重要贡献。

新一代EAST

2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。核反应释放的能量相当于相同质量的物质释放的化学能的数十万倍至百万倍。核反应有核裂变、核聚变两种形式。一个重核在中子的轰击下分裂成高能碎片的反应叫做核裂变，主要反应物是稀少的放射性元素铀、钚等，如原子弹爆炸；两个轻核发生碰撞结合成重核的反应叫做核聚变，主要反应物为氢的同位素氘和氚，如氢弹爆炸、太阳发光发热等。

实验突破

2016年1月28日凌晨零点26分，中国科学院合肥物质科学研究院全超导托卡马克核聚变实验装置 EAST成功实现了电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电，这是国际托卡马克实验装置上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。该成果在未来聚变堆研究中具有里程碑意义，标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列。EAST已成为国际上稳态磁约束聚变研究的重要实验平台，其研究成果将为未来国际热核聚变实验堆 ITER实现稳态高约束放电提供科学和工程实验支持，并将继续为中国下一代聚变装置—中国聚变工程实验堆前期预研奠定重要的科学基础。

2016年10月18日，据美国麻省理工学院官方网站消息，该校科学家在阿尔卡特C-Mod (Alcator C-Mod) 托卡马克聚变反应堆实验中创造出新的世界纪录，等离子体压强首次超过了两个大气压。鉴于高压等离子体是实现可控核聚变的关键因素，这意味着人类距获得“取之不尽用之不竭”的清洁能源又近一步。在麻省理工学院服役23年的阿尔卡特C-Mod实验装置曾在2005年制造了1.77个大气压的世界纪录。此次，该装置的等离子体压强达到2.05个大气压的新的世界纪录，其中等离子体每秒发生300万亿次聚变反应。新纪录在该装置以往成绩的基础上提高了15%，对应的温度达到3500万摄氏度，约是太阳核心温度的两倍。

2016年11月2日消息，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体所承担的国家大科学工程“人造太阳”实验装置EAST在第11轮物理实验中再获重大突破，获得超过60秒的稳态高约束模等离子体放电。EAST因此成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。

2021年5月28日凌晨，中国科学院合肥物质科学研究院全超导托卡马克装置EAST（东方超环）控制大厅传来捷报，正在开展的第16轮EAST装置物理实验实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行和1.6亿度20秒等离子体运行，再次创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录。

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