超导托卡马克实验装置east点评

『壹』 “人造太阳”东方超环再创新纪录，我国的东方超环到底多厉害

有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST东方超环）在本月初，已经开启了新一轮的实验。此次实验建立在对上一轮实验结果的总结以及对 EAST 辅助加热等系统升级改造的基础之上，目标是让“人造太阳”向着更“热”更“持久”发起冲击。

我们拥有一个共同的梦想，那就是寻求一种无限而清洁的能源，从而实现人类的永续发展。如果说“夸父追日”是古人战胜自然的美好愿望，那么东方超环则代表了今人把梦想变为现实的努力。

EAST是由国家发改委批准立项的“九五”国家重大科技基础设施。中国聚变工程实验堆目前已完成工程设计，聚变堆主机关键系统综合研究设施正在建设。按照中国核聚变“三步走”的规划，中国极有可能成为世界首个建成核聚变实验电站的国家。

『贰』 托卡马克实验的两个缺陷

托卡马克实验在20世纪50年代就已经发明， 已经过去了几十年时间，高温的超导磁约束的托卡马克实验装置仍未实现核聚变，托卡马克实验装置有两个致命缺陷，第一，托卡马克本意是模拟太阳环境，实现太阳上发生的核聚变，但是太阳上的核聚变是在高温高压下发生的，托卡马克只是在企图模拟太阳的高温，前一段时间还有一个科学团队报道称托卡马克把一亿多摄氏度的温度维持了一百多秒，托卡马克忽略了太阳的高压环境，把托卡马克实验装置加装增压装置，实现太阳核聚变发生的高温条件，高压条件，才可能成功。

托卡马克的另一个缺陷是磁约束的对象首先是磁性材料才能起作用，高温的等离子体的氘氚气态物是磁性材料吗？像铁铷这样的磁性材料别说加热到上亿度的等离子体，就是加热到几百摄氏度，铁铷的磁性都将消失，请先确认上亿度的等离子体是不是磁性材料，不是磁性材料再怎么超导磁约束都毫无意义。

网络上有篇文章。说是韩国超导托卡马克打破纪录在1.8亿华氏度维持了20秒，之前 无法持续超过10秒，这个1.8亿度维持20秒根本不算是高 科技 ，随便一个物体例如铁锅，把它在火炉上加热烧红，撤去热源，烧红铁锅的余热都能持续几十秒， 托卡马克在1.8亿华氏度靠余热维持了20秒根本没有技术含量。

对托卡马克实验的建议：拆除超导磁约束部件，保留加温装置，增加加压装置，以模拟高温和高压环境。

『叁』 什么是“非圆截面全超导托卡马克——EAST实验装置。(即“人造太阳”)”谢谢

几乎完美的能源 人造太阳：难度超乎想象(图)

进入3月，全球数千名从事核聚变研究的物理学家都在等待一份来自安徽合肥的实验报告。他们希望中国同行带来好消息，从而增强他们在不久的将来投入ITER(国际热核实验反应堆)建设的信心。

这个实验，是对一个类似ITER核心装置的大型设备进行联合调试，以确定其是否能正常运转。在实验所在地中国科学院等离子体物理研究所，它被称为“先进超导托卡马克实验装置(英文缩写为EAST)”。

50年来，在地球上模拟太阳内部的核聚变反应，并把产生的惊人能量稳定地输送到电站，一直是人类未能实现的梦想。但一些物理学家相信，这一天肯定会来临。他们希望通过ITER计划向持怀疑态度的政治家和科学家证明，核聚变是一种可行的能源来源。

正因为如此，EAST实验似乎“根本承担不起失败”，这让聚集在合肥的100名核聚变专家和工程技术人员深感压力。

几乎完美的能源

核聚变是能源危机的终结者吗？一些物理学家对此坚信不疑。

3月2日，一位负责给EAST降温的工程师就认为，聚变能是今后能够大规模甚至一劳永逸地解决人类能源问题的惟一途径。

“站在悬崖的边缘，我们只能再造一个‘太阳’，别无选择。”他说。

100年前，爱因斯坦预见了在原子核中蕴藏着巨大的能量。依据他提出的质能方程E＝mc2，核聚变的原理看上去极其简单：两个轻核在一定条件下聚合成一个较重核，但反应后质量有一定亏损，将释放出巨大的能量。

1939年，美国物理学家贝特证实，一个氘原子核和一个氚原子核碰撞，结合成一个氦原子核，并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现揭示了太阳“燃烧”的奥秘。

实际上，太阳上的聚变反应已经持续了50亿年。在宇宙中的其他恒星上，也几乎都在燃烧着氢的同位素———氘和氚。

而氘在自然界中几乎“取之不尽”。科学家初步估计，地球上的海水中蕴藏了大约40万亿吨氘。从1升海水里提取的氘，在完全的聚变反应中所释放的能量，相当于燃烧300升汽油。如果把自然界中的氘用于聚变反应，释放的能量足够人类使用100亿年。

在实验室中，聚变反应的优点被不断发现——它产生的能量是核裂变的7倍，反应产物是无放射性污染的氦。更完美的是，未来的聚变电站会始终处于次临界安全运行状态，一旦出现意外，反应会自动停止，不会发生像三哩岛和切尔诺贝利那样的核泄漏事故。

1952年美国试爆了第一颗氢弹，促使科学家考虑如何控制核聚变反应在瞬间爆发的毁灭性能量，“人造太阳”之梦由此而始。

此后，石油、煤炭等化石能源日益枯竭，能源危机和温室效应步步逼近，获取新型能源已经变得十分迫切。虽然风能、水能、太阳能等可再生能源不断地被开发利用，但很难想象，它们能够完全替代传统能源。

超乎想象的难度

接下来的50年里，再造“太阳”的难度超出了所有科学家的预计。

马里兰大学的物理学家William Dorland在接受《自然》杂志采访时感叹，核聚变之所以进展缓慢，是因为“我们对等离子体的不稳定性和紊乱性知之甚少”。

由于存在巨大的引力场，在太阳核心1500万摄氏度、表面6000摄氏度的条件下均可轻松进行聚变反应。如果不需要控制能量输出，在地面制造核聚变也不是棘手的难题：氢弹就是把原子弹当“火柴”，来“点燃煤球”。

但要实现可控，过程则极为艰难。

科学家首先要把反应燃料加热到10万摄氏度，成为等离子体，即电子获得一定的能量摆脱原子核的束缚，原子核能够完全裸露出来，为碰撞做准备。然后他们要把这些等离子体继续加热到上亿度，使原子核拥有足够的动能克服库仑斥力，聚合在一起。

为了避免在瞬间产生巨大的能量，等离子体的密度必须维持在合适的水平。

做到了这一步，还没有真正实现可控。这些上亿度的等离子体，还必须在足够长的时间里“老实地呆在容器里”，使聚变反应稳定持续地进行，“不能以每秒超过1000公里的速度乱跑，也不能碰到容器的内壁”。

一个难题是，用什么来装1亿度高温的等离子体？

前苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念，期望用“无形的河床来约束河水”———环行磁场。在磁场中，带正电的原子核会沿着磁力线做螺旋式运动。此外，高功率的激光束也被用来充当“魔瓶”。

尽管科学家突破了一个又一个障碍，但距离“太阳”的光芒依然遥远。

中国科学院等离子体物理研究所研究员邱励俭说，要让“魔瓶”亮起来，必须同时解决超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境，牵涉真空、磁场、控制、等离子体、原子核等诸多领域的科学和技术难题。

而这“需要全世界最好的科学家和工程师一起合作，需要数国财力的共同支持”。

乐观的估计

于是，ITER计划应运而生。

1985年11月，美国和前苏联倡议在国际原子能机构框架下，由美国、前苏联、日本和欧洲共同体四方参与，建设国际热核实验反应堆。第一个设计方案是于2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价约需100亿美元。

这个雄心勃勃的国际大科学工程，自出生之日便命途多舛。

由于当时的石油价格仅10多美元一桶，能源危机并未显现，加上前苏联的解体和美国的退出，这个方案以及随后“缩小版”的新方案一度搁浅。

ITER的推迟，为中国、韩国和印度等国家提供了一个“呼吸的空间”。我国在2002年表示有兴趣参加ITER计划，并在2003年成为ITER谈判过程中的正式成员。

中国ITER专家委员会的一位委员说，因为对能源的迫切需求，中国才不惜血本加入ITER。根据合同，中国要承担整个项目100亿美元中10％，投入可谓史无前例。

随后，美国宣布重返ITER，韩国和印度也先后加入。2005年6月28日，在一片争吵声中，ITER的建设地点最终落在法国南部的卡达拉舍。

政治角逐结束，科学家们走向前台，他们期望这个地球上最昂贵的科学设备能带来新能源的曙光。“毕竟，我们有了场地，可以做实验了。”哥伦比亚大学物理学家Gerald Navratil说。

但是，ITER只是一个实验堆，离发电依然十分遥远。如果获得成功，它的下一步是建造商业示范堆，目的是验证商业可行性；最后还要建造商业运行堆，以验证经济可行性。

“完成这些过程可能还需要50年。”中国科学院等离子体物理研究所所长李建刚强调。他乐观地估计，“人造太阳”的出现，不会超过100年。

东方的曙光

在2005年7月21日出版的《自然》杂志上，来自英国原子能研究部门的物理学家David Ward打了一个赌。“我愿意和你赌100美元，别的核聚变装置会比ITER更先开始工作。”他说，“在欧洲，我们对聚变反应的前景很乐观。”

位于中国合肥的EAST就有可能是这样一个装置。

3月7日，EAST进入降温实验的第18天，邱励俭在工程日志上记下了一个数字。他说，在这个数字的低温下，EAST的超导线圈进入超导态，此次实验最重要的一个目标已经达到。

他们计划在今年7月份前后进行首次放电实验。

1954年，前苏联设计成功托卡马克(意为环行真空磁线圈)装置。此后，全世界建造了上百个托卡马克装置。其中，欧洲联合环(JET)在1991年11月将氘氚混合燃料加热到了3亿摄氏度，获得1分钟的等离子体放电。

但是在强电流作用下，常规托卡马克的磁线圈同样会发热。为了解决这个难题，科学家将超导技术成功应用于磁线圈，建成超导托卡马克。

邱励俭介绍，目前世界上的超导托卡马克，只有法国的Tore－Supra和中国的HT－7能正常运行。

HT－7是前苏联赠送给中国的一套实验装置，经过中国科学家的改进，它在2005年12月14日获得了1000万摄氏度、持续306秒的等离子体放电。这个结果，离法国的Tore－Supra只有一步之遥。

几年前，中科院等粒子体物理研究的专家们开始设计更先进的EAST，这是一个高5米、内直径7.62米、重达400多吨的庞然大物。作为世界上第一个全超导托卡马克，它与ITER的核心装置非常接近。专家们为此花费了6年时间，前后投入经费达3亿元人民币。

“一旦它运行成功，能够为未来降低ITER的风险提供十分宝贵的经验。”李建刚说。

http://news3.xinhuanet.com/st/2006-03/10/content_4283992.htm

『肆』 中国人造太阳运行时间突破千秒，为世界最长，这一技术的原理是什么

人造太阳属于超导托卡马克装置，它是一种利用磁约束和真空绝热来实现受控核聚变的环形容器。它使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。

『伍』 传说中的人造太阳什么时候能实现技术上还有哪些不足

从这个高大上的名字就可以看出来：这是一项很高精尖的科技，不是轻易就能完成的。实际上，从1955年钱三强提出这个计划的原型到现在，六十多多年过去了，我们依然还在探索的路上。有一些关键的难题，依旧还等着我们解决。

当然，托卡马克也未必就是可控核聚变反应的唯一解。条条大道通罗马，也许未来的某一天，就会有新的装置可以完美地解决这个问题。而且，即使是在现在，科学家也不止有这一个方案。目前来说，还有一种仿星器装置，虽然还不像托卡马克这么被寄予厚望，但也不能排除它未来逆袭的可能。

总之，人类对于新能源的探索已经刻不容缓。早日实现清洁能源的全面利用，就可以早一天拯救地球于水火之中，也是人类自救的重要一步。

『陆』 可控核聚变新方法颠覆了预期，无招胜有招，第一盏灯即将点燃

昨天看到一则消息，颠覆了我对可控核聚变未来的预期。一个名不见经传的小初创公司Zap Engergy，正在通过一种全新的方法，既省了钱，又取得了重大突破。一些业内专家和媒体对这个技术评价极高，认为是可控核聚变技术的一个重要里程碑。

现在，Zap Engergy正在努力将这种技术模块化，宣称不久的将来将推向市场。这次突破真的会大大缩短可控核聚变的商业化进程吗？我们来了解一下。

可控核聚变就是利用太阳内部核聚变的原理，在地球上创造出长久释放的氢核聚变能源，用于造福 社会 。其实氢弹爆炸就是核聚变的能量，但是不可控的，“轰”的一声就没了，除了战争，不能造福 社会 。

而可控核聚变就是让这个“轰”的一声瞬间释放的巨大能量，变成慢慢释放，这样就可以发电，在相当长时期得到取之不尽用之不竭的能源。由于这种能源的产生方式类似于太阳，因此俗称人造太阳或人造小太阳。

但太阳核心能够源源不断地持续发生氢核聚变，是因为太阳质量巨大，导致的向心巨大收缩压力下形成的，这个压力达到3000亿个大气压。地球上无法人造出这种压力，就需要比太阳核心1500万度更高的温度，这个温度需要1亿度以上。

这样问题就来了，如何让等离子体加热到1亿度呢？而且地球上最耐热的金属才几千度就融化了，用什么容器将核聚变几万个几千度的等离子体“装住”呢？又如何让这高温的等离子体发出电来呢？这就成可控核聚变需要解决的几大难题。

科学家们弄了几十年，如今终于有点眉目了。解决把核聚变高温等离子体“装住”的方法有三个，即磁约束、惯性约束、重力约束，这几种方法都是非物质约束方法，就是不让高温等离子体碰到容器内壁。

重力约束就是太阳这种方法，地球上做不到，人们就只能从磁约束和惯性约束来想办法了。前苏联科学家早在上世纪50年代就发明了一种叫托卡马克的装置，这种装置是通过线圈在内部产生磁阱，将高温等离子体约束在磁阱里。

采用托卡马克装置研发可控核聚变技术，是经典的磁约束方法，处于世界主流地位。中国自主研制出非圆截面全超导托卡马克实验装置，简称EAST，目前处于世界领先地位。在试验中，已经取得几项世界领先成就，如7000万度长脉冲高参数等离子体维持运行1056秒，等离温度1.2亿度运行时间达到101秒，实现了1兆安等离子体单溜等。

许多国家，如美、英、日等国的可控核聚变也都取得了进展，都可以产生能量了，但都维持时间太短，而且即便发了点，输出能量还不足。下一步需要解决的主要问题就是，让核聚变的等离子体能够长时间稳定持续燃烧，并且输出的能量要大大高于输入的能量，符号表示就是达到Q=1以上。

这些问题说起来很简单，但做起来谈何容易。因此，世界各路专家大体一致认为，要真正让可控核聚变实现商业化运用，至少还需要30年左右甚至更长时间。

中国也做出了自己的规划，在2025年实现Q=5，并逐步达到Q=10；2030年实现示范工程发电，在Q=5条件下实现200MW发电，初步达到Q=10稳态发电1GW。

从这个计划安排来看，如果能够顺利实现，最早也要到2030年才能在试运行中点亮第一盏灯，真正形成商业发电还要到2050年。

所谓惯性约束，就 是利用 粒子 的惯性作用来约束粒子本身，从而实现 核聚变反应 的一种方法。比较经典的方法是采用高能激光或带电粒子束照射极小的靶丸，导致靶面物质迅速消融并向外猛烈喷射，而喷射的反作用力形成向内传播的冲击波，形成极大的压力将靶丸内的氢同位素氘和氚发生聚变。

这种技术也是早在上世纪六十年代就提出了，前苏联和美国都进行了大量试验，我国自2000年以来，也开始了这项试验，但至今这项技术还没有取得重大突破，都还处于实验室试验阶段。

今年五月，有报道称英国一家叫 First Light Fusion的 公司另辟蹊径，通过高速弹射技术来引发核聚变。具体是通过两支大型超级空气加速枪，将燃料加速到10~20倍音速，射向嵌入氘燃料芯的小块，形成崩溃冲击波，瞬间压力达到10亿个大气压，导致燃料快以足够高的速度自爆，从而实现核融合反应。

核聚变的高温会将水加热产生蒸气，通过驱动涡轮机带动发电机转为电能，这样就实现了可控核聚变发电。

研发出这种装置是受到海洋枪虾的启发。枪虾又叫鼓虾，身长约5厘米，生活在热带海洋的浅水区。这种虾有一种“黑 科技 ”武器，攻击猎物时会瞬间喷射出一股时速高达100公里的水流，形成一个极小的低压气泡，这个气泡从产生到破裂只需10亿分之一秒，爆破时瞬间温度达到4700度，被这气泡冲击波击中的猎物很难逃过一劫。

由此， First Light Fusio公司开发的高速“气枪”就以“枪虾”命名。据称这种“枪虾”核聚变方式，距离发电理想大大前进了一步，且相比采用昂贵的高能激光发射器，成本低多了。目前该公司计划采用这种技术，在2030年开办一个实验工厂来生产电力。

这完全称得上是一匹黑马，是惯性约束可控核聚变开发方面的一支奇葩，是真正的创新和弯道超车，目前很被看好。

根据报道，这家位于西雅图的初创公司 开发了一套叫 Z-pinch的系统，这套装置采用的是一条与托卡马克装置完全不同的路线，摒弃了托马斯克装置中大量昂贵的磁铁、磁线圈、屏蔽材料，以及为了保护它们需要的复杂网络，只是利用等离子体本身的磁场，将自己约束在一个相对较短的柱子里。

报道采用了一个形象的比喻：将等离子体“钉在”柱子里，并“夹住”它。等离子体本身就是带电的，理论上当然也可以形成磁场和磁阱。报道里只说这种技术叫“ 剪切轴流技术 ”，没有更多地披露技术细节。我们也没有必要去深究它，这些是专业人员的事情。

我们现在知道的是，这项技术已经成功了，并且在500千安培电流下进行了演示。Zap Engergy的首席技术官表示，这套装置叫 FuZE-Q，是第四代Z-pinch设备，下一代将设计为可容纳650千安培的电流，实现收支平衡点，即Q=1。

目前Zap Energy团队拿到了1.6亿美元的C轮融资，雄心勃勃的宣称，下一步将尽快将这项核聚变技术推向市场。 他们设想通过大规模制造反应堆来实现这一目标，这些反应堆将实现模块化，小到可以放在车库里。

这样，这些模块就既可以部署在偏远社区提供电力，也可以组合起来形成大规模集合体，提供整个城市电力。这种装置不像经典的托卡马克装置和惯性约束那样，需要昂贵的材料，成本大大下降，更容易被 社会 接受和普及。

那么，这几种从经典可控核聚变技术中脱颖而出的新技术，会不会对各国的经典常规技术造成打击和冲击呢？目前很难判断。但我觉得， First Light Fusio和 Zap Engergy这两家初创公司的技术的确很令人震撼和大开眼界。

当实力雄厚的世界级大公司和国家扶持的顶级研究机构，几十年如一日孜孜不倦地沉浸于经典技术中，一点一点往前挪动时，这几个小公司却独辟蹊径原创性地开辟出自己的一片新天地，既大大降低了成本，又缩短了预期，这似乎才是真正地弯道超车，无招胜有招啊。

当然，华山论剑，谁主沉浮，还未有定数；是骡子是马，还得拉出来溜溜；谁能点亮世界上可控核聚变商业运用的第一盏灯，才是王者。会是我们吗？希望是，但还须拭目以待。

今天就说这些，欢迎讨论，感谢阅读。

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『柒』 超导托卡马克装置的EAST

为了在近堆芯的高参数条件下研究等离子体的稳态和先进运行，深入探索实现聚变能源的工程、物理问题，等离子体所在成功建设中国第一个超导托卡马克HT-7的基础上，提出了“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置建设”计划。为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义，项目的名称在2003年10月正式由HT-7U改为EAST。EAST由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconcting”、托卡马克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”，同时具有“东方”的含意。EAST装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置（右图），其主要技术特点和指标是：16个大型“D”形超导纵场磁体将产生纵场强度 BT = 3.5 T ；12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化 ΔФ ≥ 10 伏秒；通过这些极向场超导磁体，将能产生 ≥ 100万安培的等离子体电流；持续时间将达到1000秒，在高功率加热下温度将超过一亿度。
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，许多关键技术目前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。EAST的建造具有十分重大的科学意义，它不仅是一个全超导托卡马克（左图为托卡马克示意图），而且具有会改善等离子体约束状况的大拉长非圆截面的等离子体位形，它的建成将使我国成为世界上少数几个拥有这种类型超导托卡马克装置的国家，使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。在装置建成后的10-15年期间，能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究，并使中国在人类开发清洁而又无限的核聚变能的领域内做出自己应有的重大贡献。
EAST的大小半径虽然只有国际热核聚变试验堆（即ITER）的1/3和1/4（右图为ITER示意图），但位形与ITER相似且更加灵活 ，而且将比ITER早10-15年投入运行。EAST是一个近堆芯高参数和稳态先进等离子体运行科学问题的重要实验平台，它将是在ITER之前国际上最重要的稳态偏滤器托卡马克物理实验基地。

『捌』 中国“人造太阳”项目成果显著，这个人造太阳可以代替真正的太阳吗

人类总是希望获得可供人类社会持续发展，用之不竭的能量，科学家们研究来研究去，认为，要有一颗人造的小太阳就可以获取用之不竭的能源。这一构想成为了国际科学界的长期梦想。上个世界，核物理的重大突破，使得人类初步认识到要想造一个太阳，就必须通过和太阳类似的核聚变装置来实现。于是各国开始了轰轰烈烈的核聚变研究。

反观中国科学家，在这首儿歌的带动下（我是这么想的），开启了中国自己种太阳的步伐，2017年7月4日，中国科学院等离子体物理研究所宣布，被称为“人造太阳”的我国超导托卡马克实验装置EAST，在全球首次实现了五千万度等离子持续发电101.2秒的高约束运行，创造了世界之最。取得如此骄人的成绩，可以说，中国在核聚变领域是走在世界前列的。

『玖』 中国“人造太阳”EAST再创世界纪录，今后将会应用到哪些区域

中国“人造太阳”EAST再创世界纪录，今后将会应用到哪些区域？下面就我们来针对这个问题进行一番探讨，希望这些内容能够帮到有需要的朋友们。

据《金投网》2021年9月29日信息称其裂变堆服务器重要系统软件综合性科学研究设备已经基本建设，方案到2035年完工核聚变工程项目实验堆，逐渐产品化发电量的规模性科学合理实验，到2050年时裂变工程项目实验堆实验取得成功并基本建设大中型裂变商业服务示范性堆，基本把握可控性核聚变发电量等层面的技术性，到时候人们将可以不会再为能源危机犯愁了。