受控核聚變實驗裝置

『壹』 中國的「人造太陽」什麼是人造太陽，有什

所謂的「人造太陽」，是對「受控核聚變實驗裝置」的形象性的稱呼。
我們知道，太陽這類恆星之所以能夠發出巨大的能量，是因為在恆星中時刻都在發生著氫聚變為氦的核聚變反應。人類製造出的氫彈，就是不受控制的核聚變反應。核聚變反應產生出巨大的能量，而要讓核聚變反應產生的能量為人類所用，就必需要讓核聚變反應在受到控制的條件下發生，讓反應強就強，讓反應弱就弱，讓反應停止就能停止，就象現在的核電廠一樣。只是現在的核電廠用的是核裂變反應產生的能量，而不是聚變。
但由於核聚變反應使用的原料是氫，是氣體，發生反應時，壓力要非常大，溫度高達5000萬度以上，沒有材料能夠承受這么高的溫度和壓力。所以科學家就設計了一種裝置，讓高溫高壓狀態下的氫氣由高磁場束縛住，不讓它亂跑，也不讓它與周邊的材料接觸，以免材料在高溫下融化。同時又在高磁場條件下，能夠把核聚變產生的能量引導出來，用來發電。
由於這個裝置產生的核聚變反應與太陽等恆星上發生的反應類似（雖然也是氫核的聚變反應，但並不完全一樣），所以就形象地把這個裝置稱為「人造太陽」。

『貳』 受控熱核反應的受控熱核反應實驗裝置

產生受控熱核反應的實驗裝置有兩大類： 不用特殊方法維持或約束等離子體的裝置。用激光束或電子束、離子束等照射固態氘或其他燃料製成的小球靶，在對稱激光束的輻射下，小球靶向中心爆聚。當小球靶的溫度高於一億開，密度比固體高幾千倍以上時,就會產生受控熱核反應。實質上,這種熱核反應就相當於微型氫彈爆炸，而「慣性約束」就意味著不約束。
慣性約束涉及很多等離子體動力學問題，如激波加熱問題。在爆聚過程中，如果只有單個激波，最大壓縮時的密度只能增加3倍;如果對激光束的輸出功率進行調制，使等離子體產生一系列激波，並在所要求的時間內同時收縮到中心（靶心），則可使密度增大1000倍。要達到這種效果，大約需要7個激波。這樣的時間控制,已在實驗室中實現。慣性約束中的等離子體穩定性問題也是等離子體動力學研究的問題之一。由於爆聚過程相當於輕流體驅動重流體作加速運動,會產生瑞利-泰勒不穩定性（見磁流體力學穩定性）。其後果不僅使爆聚失去對稱性，影響壓縮比，而且會產生強烈混合，降低燃燒率。這是實現激光核聚變的主要障礙之一。 用強磁場使高溫等離子體與容器器壁隔開的裝置，有托卡馬克（見磁流體靜力學）、磁鏡、仿星器和角箍縮等。托卡馬克是研究得最普遍的一種，實驗數據也和勞孫判據最接近。
學者們曾提出多種把等離子體加熱到高溫的方法。首先是歐姆加熱法，即用大電流通過等離子體，等離子體由於具有一定電阻而產生熱效應，溫度因而升高。但是溫度升到一定程度，電阻便下降，所以此法一般只能加熱到1000萬開左右。其次是磁壓縮法，即用逐漸增強的磁場來壓縮等離子體，以達到加熱的目的。目前最有效的加熱法是注入中性束，即把高能的中性粒子束（如氘粒子束）透過磁場注入等離子體，從而提高等離子體的溫度。採用這種方法,1981年美國的托卡馬克PLT裝置已能達到8000萬開的高溫。目前正在研究的是波加熱法，即把各種不同頻率的波入射到等離子體中，通過共振使等離子體加熱。
被磁場包圍(約束)的高溫等離子體的一個固有特性是磁流體力學不穩定性。經過多年研究，已提出一些有效的方法來抑制磁流體力學不穩定性的發生。例如，在等離子體中加上強縱向磁場，在強縱向磁場外面加上良導體壁，設計某些特殊的磁場位形，等等（見磁流體力學穩定性）。

『叄』 全超導托卡馬克核聚變實驗裝置的基本原理

核能是能源家族的新成員，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。裂變能是重金屬元素的核子通過裂變而釋放的巨大能量。受控核裂變技術的發展已使裂變能的應用實現了商用化，如核(裂變)電站。裂變需要的鈾等重金屬元素在地球上含量稀少，而且常規裂變反應堆會產生放射性較強的核廢料，這些因素限制了裂變能的發展。聚變能是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核並釋放出的能量。目前開展的受控核聚變研究正是致力於實現聚變能的和平利用。其實，人類已經實現了氘氚核聚變--氫彈爆炸，但那是不可控制的瞬間能量釋放，人類更需要受控核聚變。維系聚變的燃料是氫的同位素氘和氚，氘在地球的海水中有極其豐富的蘊藏量。經測算，l升海水所含氘產生的聚變能等同於300升汽油所釋放的能量。海水中氘的儲量可使人類使用幾十億年。特別的，聚變產生的廢料為氦氣，是清潔和安全的。因此，聚變能是一種無限的、清潔的、安全的新能源。這就是世界各國尤其是發達國家不遺餘力競相研究、開發聚變能的根本原因。
受控熱核聚變能的研究主要有兩種--慣性約束核聚變和磁約束核聚變。前者利用超高強度的激光在極短的時間內輻照氘氚靶來實現聚變，後者則利用強磁場可很好地約束帶電粒子的特性，將氘氚氣體約束在一個特殊的磁容器中並加熱至數億攝氏度高溫，實現聚變反應。
托卡馬克(Tokamak)是前蘇聯科學家於20世紀50年代發明的環形磁約束受控核聚變實驗裝置。經過近半個世紀的努力，在托卡馬克上產生聚變能的科學可行性已被證實，但相關結果都是以短脈沖形式產生的，與實際反應堆的連續運行有較大距離。超導技術成功地應用於產生托卡馬克強磁場的線圈上，是受控熱核聚變能研究的一個重大突破。超導托卡馬克使磁約束位形能連續穩態運行，是公認的探索和解決未來聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑。目前建造超導裝置開展聚變研究已成為國際熱潮。
托克馬克從本質上說是一種脈沖裝置，因為等離子體電流是通過感應方式驅動的。但是，存在所謂的「先進托克馬克」運行的可能性，即它們可以利用非感應外部驅動和發生在等離子體內的自然的壓強驅動電流相結合而實現運行。它們需要仔細地調節壓強和約束使之最佳化。在理論和實驗上正在研究這種先進托克馬克，因為連續運行對聚變功率的產生是最有希望的，其相對小的尺寸導致比類ITER設計更經濟的電站。先進超導托克馬克實驗裝置是指裝置的環向磁場和極向磁場線圈都是超導材料繞制而成的，它可以大大節省供電功率，長時間維持磁體工作，並且可以得到較高的磁場。
等離子體物理研究所主要從事高溫等離子體物理、受控熱核聚變技術的研究以及相關高技術的開發研究工作，擔負著國家核聚變大科學工程的建設和研究任務,先後建成HT-6B、HT-6M等托卡馬克實驗裝置。1994年底，等離子體所成功地建成我國第一台大型超導托卡馬克裝置HT-7，使我國進入超導托卡馬克研究階段，研究成果引起了國際聚變界的廣泛關注。「九五」國家重大科學工程--大型非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST計劃的實施，標志著我國進入國際大型聚變裝置(近堆芯參數條件)的實驗研究階段，表明中國核聚變研究在國際上已佔有重要地位。

『肆』 受控核聚變實驗裝置是什麼裝置

如同某些重原子能發生裂變，同時釋放出巨大的能量一樣，某些輕核也能聚變成較重的核，並釋放出比裂變時大幾倍甚至幾十倍的能量。因此，輕核聚變將是人類獲得核能的另一條更有遠大前景的途徑。人們開展了很多這方面的研究，力求在人為可控的條件下將輕原子核（主要為氘、氚等）聚合成較重的原子核，同時釋放出巨大能量——這就是所謂的受控核聚變。由於氘在地球的海水中藏量豐富，多達40萬億噸，且反應產物是無放射性污染的氦，因此它具有釋放能量密度高、燃料豐富、成本低廉、與環境兼容性強、安全性好等優點。

然而由於聚變反應能夠自持進行的條件十分苛刻，要首先使燃料處於等離子體狀態，並使等離子體的溫度達到幾千萬度甚至幾億度並持續足夠長的熱能約束時間，原子核才可以克服斥力聚合在一起，所以受控核聚變的實現極其艱難。目前這方面的研究分慣性約束和磁約束兩種途徑。慣性約束是利用超高強度的激光在極短的時間內輻照靶板來產生聚變；磁約束是利用強磁場可以很好的約束帶電粒子的特性，構造一個特殊的磁容器，建成聚變反應堆。20世紀下半葉，聚變能的研究取得了重大進展，利用一種環行磁約束裝置——托卡馬克研究領先於其他途徑。

中國一直很重視這方面的研究。中國核工業西南物理學院於1986年自行研製成功托卡馬克研究裝置——「中國環流器一號」。1994年他們又研製成「中國環流器新一號裝置」，更在2002年12月研製成功「中國環流器二號A裝置」。位於中國安徽省合肥市的中國科學院等離子體物理研究所承擔的HT一7超導托卡馬克實驗在2002年至2003年冬季取得了重大進展，該裝置是將超導技術成功應用於產生托卡馬克磁場的線圈上，使得磁約束的連續穩態運行成為現實。這是受控核聚變研究的一次重大突破。中科院等離子體所的HT-7托卡馬克實驗裝置成功的實現了在低雜波驅動下電子溫度超過500萬度、中心密度大於1．0×1019／m3、長達20秒可重復的高溫等離子體放電；實現了電子溫度超過1000萬度、中心密度大於1．2×1．0 x 1019／m3、超導10秒的等離子體放電。在離子伯恩斯波和低雜波協同作用下，實現放電脈沖長度大於100倍能量約束時間、電子溫度2000萬度的高約束穩態運行；最高電子溫度超過3000萬度。

等離子所取得的重大進展表明，HT-7超導托卡馬克裝置已經成為世界上第二個放電長度達到1000倍熱能約束時間。溫度為1000萬度以上，能對穩態先進運行模式展開深入的物理和相關工程技術研究的超導裝置，在穩態高約束運行長度上已達到世界領先水平。

『伍』 我國第一代受控核聚變研究裝置

「托卡馬克」環
在北京
中科院等離子體所在引進、消化、吸收的基礎上，開展自主創新，1994年建成我國第一個超導托卡馬克HT-7。投入運行10年來，HT-7實驗成果已進入世界前列，與Tore-supra共同成為全面開放的、能開展長脈沖高參數等離子體運行的兩大國際合作平台。HT-7裝置可以探索長脈沖和接近穩態下的等離子體運行，最長等離子體放電已達240秒。
托卡馬克(Tokamak)是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環性容器。它的名字 Tokamak 來源於環形toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位於蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。
托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著兒所線圈。在通電的時候托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。
相比其他方式的受控核聚變，托卡馬克擁有不少優勢。1968年8月在蘇聯新西伯利亞召開的第三屆等離子體物理和受控核聚變研究國際會議上，阿齊莫維齊宣布在蘇聯的T-3托卡馬克上實現了電子溫度 1 keV，質子溫度 0.5 keV，nτ=10的18次方m-3.s，這是受控核聚變研究的重大突破，在國際上掀起了一股托卡馬克的熱潮，各國相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置。其中比較著名的有：美國普林斯頓大學由仿星器-C改建成的 ST Tokamak，美國橡樹嶺國家實驗室的奧爾馬克(Ormark)，法國馮克奈-奧-羅茲研究所的 TFR Tokamak，英國卡拉姆實驗室的克利奧(Cleo)，西德馬克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak。
托卡馬克裝置:
20世紀70年代後期到80年代中期，世界各國陸續建成了四個大型的托卡馬克，他們分別是：
美國的 TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor)
日本的 JT-60
歐洲的 JET (Joint European Torus)
蘇聯的 T-15
受控熱核聚變研究的一次重大突破是將超導技術成功地應用於產生托卡馬克強磁場的線圈上，建成超導托卡馬克，使得磁約束位形的連續穩態運行成為現實。超導托卡馬克是公認的探索、解決未來穩態聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑。1988年，法國建成世界上第三個超導托卡馬克Tore-supra。

『陸』 核聚變發電的我國核聚變裝置的最新消息

新華網合肥9月28日電（記者喻菲 蔡敏 程士華）世界領先的中國新一代熱核聚變裝置EAST28日首次成功完成了放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。
負責這一項目的中國科學院等離子體所所長李建剛研究員在接受新華社記者采訪時說，此次實驗實現了裝置內部1億度高溫，等離子體建立、圓截面放電等各階段的物理實驗，達到了預期效果。
工藝鑒定組專家、中科院基礎科學研究局金鐸研究員在實驗後的新聞發布會上宣布，EAST通過國家「九五」大科學工程工藝鑒定。 參與EAST研究合作的美國通用原子能公司蓋瑞·傑克遜博士說：「EAST成為世界上第一個建成並真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置，它將在未來10年內保持世界先進水平。」
據了解，EAST裝置是中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造而成的。
記者在實驗控制室看到，這個近似圓柱形的大型物體由特種無磁不銹鋼建成，高約12米、直徑約5米，據介紹其總重量達400噸。
李建剛研究員說，與國際同類實驗裝置相比，EAST是使用資金最少、建設速度最快、投入運行最早、運行後獲得等離子放電最快的先進核聚變實驗裝置。
「這意味著人類在核聚能研究利用領域取得重大進步，也標志著中國在這一領域進入國際先進水平」，李建剛說。
人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。氫彈爆炸時釋放出極大的能量，給人類帶來的是災難。而科學家們卻希望發明一種裝置，可以有效地控制「氫彈爆炸」的過程，讓能量持續穩定的輸出，以解決人類面臨的能源短缺危機。
美、法等國在20世紀80年代中期發起了耗資46億歐元的國際熱核實驗反應堆（ITER）計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產生能量的過程類似，因此受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為「人造太陽」。
中國於2003年加入ITER計劃。位於安徽合肥的中科院等離子體所是這個國際科技合作計劃的國內主要承擔單位，其研究建設的EAST裝置穩定放電能力為創記錄的1000秒，超過世界上所有正在建設的同類裝置。
EAST大科學工程總經理萬元熙教授說，與ITER相比，EAST在規模上小很多，但兩者都是全超導非圓截面托卡馬克，即兩者的等離子體位形及主要的工程技術基礎是相似的，而EAST至少比ITER早投入實驗運行10至15年。因此，無論從人才培養和奠定工程技術及物理基礎的角度上說，EAST都將為ITER計劃做出重要的、實質性的貢獻，並進而為人類開發和最終使用核聚變能做出重要貢獻。
不過，萬元熙研究員說，雖然「人造太陽」的奇觀在實驗室中初現，但離真正的商業運行還有相當長的距離，它所發出的電能在短時間內還不可能進入人們的家中。但他預測，根據目前世界各國的研究狀況，這一夢想最快有可能在2040－2060年後實現。
萬元熙說，未來的穩態運行的熱核聚堆用於商業運行後，所產生的能量夠人類用數億年乃至數十億年。從長遠來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之後的主要能源，人類將從「石油文明」走向「核能文明」。

『柒』 人造太陽指的是什麼

所謂的「人造太陽」，是對「受控核聚變實驗裝置」的形象性的稱呼。

我們知道，太陽這類恆星之所以能夠發出巨大的能量，是因為在恆星中時刻都在發生著氫聚變為氦的核聚變反應。人類製造出的氫彈，就是不受控制的核聚變反應。核聚變反應產生出巨大的能量，而要讓核聚變反應產生的能量為人類所用，就必需要讓核聚變反應在受到控制的條件下發生，讓反應強就強，讓反應弱就弱，讓反應停止就能停止，就象現在的核電廠一樣。只是現在的核電廠用的是核裂變反應產生的能量，而不是聚變。

但由於核聚變反應使用的原料是氫，是氣體，發生反應時，壓力要非常大，溫度高達5000萬度以上，沒有材料能夠承受這么高的溫度和壓力。所以科學家就設計了一種裝置，讓高溫高壓狀態下的氫氣由高磁場束縛住，不讓它亂跑，也不讓它與周邊的材料接觸，以免材料在高溫下融化。同時又在高磁場條件下，能夠把核聚變產生的能量引導出來，用來發電。

由於這個裝置產生的核聚變反應與太陽等恆星上發生的反應類似（雖然也是氫核的聚變反應，但並不完全一樣），所以就形象地把這個裝置稱為「人造太陽」。

中國的「人造太陽」實驗裝置

『捌』 解密中國可控核聚變！「人造太陽」究竟是項怎樣的工程

就在前不久，中國核工業集團宣布，新一代可控核聚變研究裝置“中國環流器二號M”，預計於2020年投入運行。中核集團核工業西南物理研究院院長段旭如表示，該實驗裝置的建成將為人類真正掌握可控核聚變提供重要技術支撐。我們距離“人造太陽”的夢想，又近了一步。

“核聚變能一旦實現和平利用，地球上的能源將取之不盡用之不竭，因能源短缺帶來的社會問題可得到徹底解決，人們的生活水平也將因此而得到極大提高。”段旭如說，像海水淡化、星際飛船這類工程，過去因耗能太大而令人們猶豫不決，而未來在可控核聚變能的支持下，都將能夠更快發展。歡迎大家一起討論。