合肥核聚變實驗裝置

Ⅰ 中國第一「人造太陽」基地是哪

中國第一復「人造太陽」基地是制合肥科學島。

中國「人造太陽」EAST物理實驗獲重大突破，實現在國際上電子溫度達到5000萬度持續時間最長的等離子體放電，標志著中國在穩態磁約束聚變研究方面繼續走在國際前列。

中國的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST和中國、美國、俄羅斯等七方共同啟動的國際熱核聚變實驗堆ITER都是旨在創造一個「太陽」，給人類帶來源源不斷的清潔能源，因此也俗稱「人造太陽」。

(1)合肥核聚變實驗裝置擴展閱讀：

2018年6月28日，國務院國資委在北京發布中央企業工業文化遺產（核工業）名錄，首批專門發布核工業行業的12項工業文化遺產。中國第一座人造太陽實驗裝置是其中之一。

在劉志宏心中神秘的「人造太陽」的所在地， 其實就是中科院等離子體物理研究所，也是他獲得博士學位的地方。在這里，他明白了，通過科學家們一代又一代的努力，已經建成了世界上首個全超導非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）， 同時，於2006 年正式加入了國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目，這也是我國迄今為止參與的最大的國際合作項目。

Ⅱ 「人造太陽」如能永耀，人類將徹底解決能源問題

太陽的聚變反應，靠重力約束，但仍然需要巨大的空間，才能容納這樣一個高溫物體。 （東方IC/圖）

2021年5月28日，中科院合肥物質科學研究院有「人造太陽」之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創造新的世界紀錄，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，該成績打破了2020年年底韓國創造的1億攝氏度20秒的紀錄，將時間延長了5倍。科研人員稱新紀錄進一步證明核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定物理和工程基礎。這是人類掌控核聚變的又一次成功突破。

核聚變，指輕原子核，例如氫的同位素氘和氚，聚合為較重原子核，例如氦。聚變過程，會損失一定質量，根據愛因斯坦質能方程，這些質量會轉變為巨大的能量。熱核聚變是宇宙中的常見現象，太陽就是一個巨大的熱核聚變反應爐。

人類對核聚變認識，差不多有100年了。1932年，馬克·奧利芬特完成了氫同位素的實驗室聚變。20年後，1952年，氫彈試驗成功。氫彈是人類 歷史 上第一次利用核聚變。不過，這種方式是劇烈的、不可控。其實，單單可控，人類也能做到，但這樣的聚變反應，輸入能量大於輸出能量，得不償失，而且時間也極短，所以，不能用來發電。要想聚變被用來發電，不但要可控，還要輸出能量大於輸入，並且持續、平穩。

太陽的聚變反應，靠重力約束，但仍然需要巨大的空間，才能容納這樣一個高溫物體。太陽表面的日珥，高於日面幾十萬千米，而地球的直徑才1.2萬多千米。即便如此，沒有磁場、大氣層的保護，地球生物仍然承受不了太陽核聚變所發射的射線。顯然，地球上沒有那麼大空間，要想實現大規模的聚變，還得想其他辦法。

核聚變發生時，是等離子狀態，溫度達到幾千萬度甚至幾億度。沒有任何容器可以承受這樣的高溫。那麼，一個思路就是用一種無形的力去約束等離子體。人類想到的辦法是磁場。

從1940年代末起，各國對聚變發電可行性展開了大量研究，投入大量的人力與經費，開發了多種磁籠。到了1970年代，蘇聯科學家伊戈爾·塔姆、安德烈·薩哈羅夫和列夫·阿齊莫維齊等人在1950年代發明的「托克馬克」（Tokamak）逐漸顯示出了優勢，並在1980年代成為聚變能研究的主流。托克馬克的中央是一個環形真空，外面圍繞著線圈。通電時其內部會產生巨大螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高溫度，並加以約束，達到受控核聚變的目的。

此次合肥的EAST於2000年開建，2006年建成，是由中國自行設計研製的，又被稱為東方超環。EAST的一系列裡程碑成果表明，中國磁約束聚變研究在穩態運行的物理和工程方面，開始引領國際前沿。

不過，核聚變所要求的技術、資金、人力是如此之大，往往是一國所難以獨力承受的。

1970年代後期到80年代中期，美國、日本、俄羅斯、歐洲陸續建成了五個大型的托卡馬克裝置。1985年，里根-戈爾巴喬夫倡議蘇聯、歐盟（通過歐洲原子能共同體）、美國和日本平等地參與建設ITER。2006年5月24日，歐盟、美國、中國、日本、韓國、俄羅斯和印度7方代表草簽了一系列相關合作協議，標志著這項計劃開始啟動。ITER是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，也是國際 科技 合作史上前所未有的。它的建造周期很長，計劃耗資五十億美元（1998年值）。

需要指出的是，ITER的目標是實現氘氚放電自持300-500秒，預期功率到500MW。但這仍然是一個實驗，離商業化還非常遙遠。

可控聚變被認為能為人類帶來無限的清潔能源，遠景規劃非常誘惑人。然而，遺憾的是，過去幾十年，在投入了無數資金之後，科學家取得的成就非常有限，實用性的商業價值，還遙不可及。研究聚變的物理學家中流傳著一個很久的笑話：新聞界又開始報道核聚變技術，要在30年後進入實用階段、核聚變工廠即將開工的消息了。

媒體難免誇張，是因為前景太過美好。

人類的工業 歷史 ，無非是挖礦、種植，得到原材料，然後引入能量製造產品。挖礦本身需要能量，而種植無非是把太陽能變為碳的化合物。所以，人類的生活本質上是由利用能量的程度決定的。而核聚變，可以提供廉價、清潔的能源，一旦實現，勢必從根本上改變我們的生活。

比如，一些高耗電的行業就沒有了電力的限制，勢必會發生變革，例如鋼鐵、化工等產業。電力成本降低，整個產品成本也隨之降低。而煤炭、原油行業，逐漸被替代，地球環境也會更好。再比如現在的電動 汽車 被一些人溢美為「新能源車」，但有的能源的來源一點都不新，電力仍以化石燃料為主。只有當可控核聚變真正占據能源供應的主流時，以此能源的新能源車才實至名歸。

前景如此美好，人類翹首以盼，但前路遙遠，道阻且艱，還有待科學家的努力， 探索 那無盡的前沿。

（作者繫上海金融與法律研究院研究員）

（本文僅為作者個人觀點，不代表本報立場）

劉遠舉

Ⅲ 可控核聚變的輸出能量已經大於輸入，那麼現在可以商業化了嗎

我們所熟悉的可控核聚變實現方式有兩種，一種是國際熱核聚變裝置ITER支持的磁約束核聚變，另一種是各國自行研究方向的慣性約束核聚變！兩種從原理上來看有很大的區別，但都需要輸入大量的能量作為可控核聚變的基礎都是完全一致的！

上圖是磁約束核聚變裝置的動態示意圖，當然事實上的核聚變堆也許並不是這種方式運行的，但表現原理並無問題，它存在幾個非常關鍵的結構：

1.約束控制與加熱超高溫等離子體的磁場，即D行空腔的第二層內壁！

2.燃料的等離子體的注入，動圖中在內壁側面注入！

3.內壁兼熱交換結構，將核聚變產生的超高溫從聚變堆內部帶走轉換發電並保持內壁適合溫度

4.核聚變堆灰燼排出結構！

磁約束可控核聚變裝置實現有兩種， 一種是托卡馬克結構，另一種是仿星器結構 ，兩種都是現代可控核聚變的重要研究方向！

托卡馬克可控核聚變裝置內部，這種結構最早是前蘇聯庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等在上世紀50年代發明的，托卡馬克的核心裝置是環形真空室，外壁纏繞超導線圈，通電後會產生螺旋形磁場，完成等離子的加熱以及控制約束的目的！

另一種則是仿星器，仿星器最早是由美國理論物理學家、天文學家李曼斯·皮策(Lyman Spitzer)在上世界50年代發明並建成，其實兩種磁約束的經典結構最早時間都差不多！但兩者真空室結構不一樣，它的規模要比托卡馬克要小一些！但托卡馬克在等離子體磁場建立過程中可以調整磁場以約束磁場而仿星器則完全依靠安裝精度！而且仿星器的磁場扭曲結構並非軸對稱，因此仿星器的等離子體約束難度要比托卡馬克難得多！

盡管仿星器與托卡馬克都有一大票支持者，當然托卡馬克裝置更是有ITER的支持！不過無論哪家都沒有一家在這個可控核聚變的道路走到商業化的程度，其原因不外乎等離子體的溫度不夠高，約束的時間不夠久，商業化的門檻大約是一億度，1000S，我們現在走得最遠的大概溫度實現了一半，時間則在1/10-1/5左右，盡管最近以來的進展比較快，但仍然有很遠的路要走！

還有一種與磁約束完全不同的結構則是 慣性約束核聚變裝置 ，這種理解起來比較簡單，用幾十到束激光轟擊中央的燃料靶，高溫高壓以達到核聚變的目的！

與各位理解的不一樣激光束並不是直接加熱燃料的，而是採用一種山圖的間接的方式，不過到現在為止慣性約束遇到的難題並不比磁約束小，一是數十束超高能激光束的激光裝置，另一個燃料加熱後的外層等離子體影響進一步加熱，似乎有一種走入死胡同的感覺！

在合肥的中國托卡馬克可控核聚變實驗裝置東方超環，當然也有執行中國慣性約束研究神光一號二號，我們的進度在磁約束方面甚至還部分領先全球，不過在慣性約束上並無更多的資料披露，我們難以了解進度如何！

當前在可控核聚變領域做到輸出大於輸入並沒有多大的問題，但並不是說輸出大於輸入即可商業化，因為巨大的建設與運行成本並不是那麼一點點盈餘即可應付的，而且不穩定的運行成本則更高，我們要求的穩態的長時間高回報的能量輸出！但似乎看起來永遠都差那麼五十年，不過根據最近的進展來看，還真有可能在最後這個五十年內實現，各位少安毋躁！

Ⅳ 「人造太陽」東方超環再創新紀錄，我國的東方超環到底多厲害

有「人造太陽」之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST東方超環）在本月初，已經開啟了新一輪的實驗。此次實驗建立在對上一輪實驗結果的總結以及對 EAST 輔助加熱等系統升級改造的基礎之上，目標是讓「人造太陽」向著更「熱」更「持久」發起沖擊。

我們擁有一個共同的夢想，那就是尋求一種無限而清潔的能源，從而實現人類的永續發展。如果說「誇父追日」是古人戰勝自然的美好願望，那麼東方超環則代表了今人把夢想變為現實的努力。

EAST是由國家發改委批准立項的「九五」國家重大科技基礎設施。中國聚變工程實驗堆目前已完成工程設計，聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施正在建設。按照中國核聚變「三步走」的規劃，中國極有可能成為世界首個建成核聚變實驗電站的國家。

Ⅳ 為什麼要研究可控核聚變因為它可以使人類文明前進很大的一步！

不管我們要做什麼事，首先要有一個原因，我們人類為什麼要發展可控核聚變呢？這要從能量的角度談起，到目前為止，我們的所需要能量絕大多數來自太陽，比如說石油、天然氣、煤以及水力、風力發電等等，甚至我們生命的根本-食物，它們所蘊含的能量都是太陽賦予的。而太陽的能量來自於哪裡呢？這一點大家都知道，它源自太陽內部的氫-氦核聚變反應。

人類現在已經可以利用核裂變來發電了，但地球上核裂變的資源是非常有限的，根據相關數據，目前地球上已探明的可以用作核裂變的原料僅僅夠人類使用幾十年的時間。相比之下，地球上核聚變的資源就要多出很多了，地球上的海水中擁有40萬億噸氘（氫的同位素），而如果完全利用的話，一公斤氘的核聚變反應就可以產生差不多1億度的電能。這還沒有算上宇宙中其他的廣泛存在的核聚變資源，例如月球上儲量驚人的氦-3。

如果人類能夠隨意控制核聚變的能量，我們就可以實現完全的自給自足，甚至可以不再依靠太陽！這也就意味著人類文明將會前進很大的一步，有了可控核聚變，人類走出太陽系將指日可待。換一個角度來看，核聚變是具有高效率、低成本的清潔能源，這也非常符合人類發展的方向。

核聚變的原理就是通過技術手段將氫原子「捏」在一起，使其聚變為氦，在這個過程中會釋放大量的能量。以目前的 科技 ，要使氫原子發生核聚變，就必須用高溫高壓的方式，這個原理很簡單，原子核之間有著巨大的排斥力，我們又不可能真的能將原子核「捏」在一起，所以就只有將原子核加速，只要原子核具有足夠的速度，它們就可以克服排斥力撞在一起，而高壓環境下的原子核會更集中，這將大大增加原子核碰撞的概率。要將原子核加速，科學家們可以簡單的用升高溫度的方法來實現，由此可見，核聚變最關鍵的就是高溫環境。

人類的末日武器-氫彈就是核聚變反應，它的原理就是利用引爆小型原子彈（核裂變）來達到高溫高壓的環境，進而引發氫彈的核聚變反應，並在一瞬間釋放出強大的能量。

但這種反應是破壞性的，不可控制的，如果人類要利用它的能量，這種方式明顯是不可行的。人類需要用一種持續的、平穩的方式來獲得核聚變的能量。從理論上來講，可控核聚變實現起來似乎並不難，只需要三步就可以，第一步、將核聚變原料放入一個容器中；第二步、對核聚變原料加溫加壓使其產生聚變反應；第三步、通過某種方式將容器里的能量平穩的導出來。

事實上，要點燃核聚變對於人類來說並不困難，科學家們可以用多束高能激光，從各個方位對核聚變原料進行加熱，從而實現「點火」的目的。但難點就在於這個「容器」上，要知道核聚變會產生至少5000萬攝氏度的高溫，與此同時還會產生強大的輻射能，以現在的 科技 ，人類根本製造不出能夠扛得住這種極端「折磨」的材料。

但是聰明的科學家想出了另外的辦法，在高溫環境下，原子中的電子與原子核之間的連接會被打破，在這種情況下電子會掙脫原子核的束縛，這種現象被稱之為「電離」。失去電子之後，剩下那些原子核就變成了「等離子體」，由於等離子體是帶正電的，所以它們可以被磁場約束。基於這種理論，上世紀50年代，前蘇聯的庫爾恰托夫研究所發明了「托卡馬克」裝置，使人類在可控核聚變的領域邁出了從無到有的第一步。

然而用磁場來約束等離子體，在實際操作上難度是極大的。要讓核聚變持續、穩定的進行，就必須要保證磁場要長時間的、非常均勻的分布，而事實上這是目前 科技 水平不能做到的。任何不均勻的磁場都會對等離子體造成擾動，這些擾動會在電磁作用下瞬間放大，從而使整個核聚變反應變得不受控制，要麼反應太激烈，要麼停止反應。

可控核聚變的難度遠不止於如何約束等離子體，在很多細節上都有難以突破的瓶頸，比如說要用約束等離子體，就必須要有很強的磁場，而要製造很強的磁場就需要有強大的電流，因此只能用超導體來完成這個磁場的建設。要知道超導體必須在超低溫下工作，一般的溫度都需要零下200攝氏度，但它們要約束的又是溫度至少是5000萬攝氏度的高溫物質……其中的難度可想而知。

在可控核聚變中有一個專業術語叫「第一壁」，它指的是在核聚變中面對等離子體的第一層固體隔離結構，「第一壁」起的是封閉能量的作用，如果沒有了它，收集核聚變產生的能量也就無從談起。「第一壁」也是技術上的一大難題，在幾千萬甚至上億攝氏度的高溫以及巨大的輻射能面前，目前人類所能製造的任何材料挺不了多長時間。

值得一提的是，在可控核聚變的研究領域，我國在全世界上是處於領先的水平， 2018年11月12日，中科院合肥物質科學研究院宣布，我國的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST實現了「1億攝氏度等離子體運行」等多項重大成就。

雖然可控核聚變之路困難重重，但是全世界的科學家對此熱情不減，2006年，中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度啟動了「國際熱核聚變反應堆計劃」（簡稱ITER），該計劃參與各方投入了大量的人力物力，致力於攀登這座「人類 科技 的巔峰」。相信隨著 科技 的進步，「50年之後，可控核聚變可以得到實現」。