俄羅斯為什麼不研究托卡馬克

㈠ 二十世紀，受控核聚變比較好的裝置是前蘇聯科學家設計的「托卡馬克」裝置是什麼樣的

二十世紀，受控核聚變比較好的裝置是前蘇聯科學家設計的「托卡馬克」裝置。這是一個中空的環形管，逐段設置鐵塊作磁場的鐵心，把管子圍起來，配上高強度的磁場，把環形腔內的高溫氘、氚封閉起來，使它們在環形腔內完全分解成帶電的離子，而這些帶電的離子在磁場作用下，只能沿磁力線方向運動，就像把高溫的核燃料「盛放」在「磁瓶」里，有控制地運行熱核反應一樣。

㈡ 超導托卡馬克的「HT-7U超導托卡馬克裝置建設」介紹

HT- 7U超導托卡馬克以其具有低溫超導的縱場磁體系統和極向場超導磁體系統而受到國內外聚變界的廣泛關注。我們等離子體物理研究所的全體員工為我們所能承擔這樣一個國家級的重大科學研究工程項目而感到無比榮幸，為使我所廣大科研人員特別是未能直接承擔這個科研任務的同志們能較為全面的了解該科研項目的情況，進而也為完成該項目獻計獻策，特在此簡要介紹有關該項目的立項、預研、設計等情況。我們非常歡迎所內外的廣大科研人員都來關心、關注HT-7U工程項目的設計和建造，為順利完成這一重大科學工程項目而努力。 近年來，我國的核聚變研究伴隨著全面改革開放和國家的綜合國力的增強從而對科學技術研究及教育投入的逐步增加而得到長足的發展，多年來陸續建成的一批核聚變實驗研究裝置都取得了極好的實驗研究成果。其中建在我所的HT-7超導托卡馬克尤其以其具有低溫超導縱場磁體系統而倍受國內外聚變界的關注。為了更進一步發展、推進我國的聚變科學研究事業，探索非圓、大拉長截面、穩態的等離子體實驗控制技術，更深入研究全低溫超導托卡馬克實驗裝置的設計、建造和實驗技術，從而全面掌握托卡馬克類核聚變實驗裝置各種技術，我所在HT-7投入運行並取得良好實驗結果的同時，適時提出建造HT-7的升級裝置「HT-7U全超導托卡馬克裝置」的計劃。所謂全超導意為構成托卡馬克裝置的全部縱場系統和極向場系統都採用低溫超導磁體組成。這個計劃得到了世界聚變科學研究專家們的極大支持，我所為該計劃的順利實現作了大量的先期預研和設計計算工作。
下面簡要回顧一下HT-7U全超導托卡馬克裝置的立項歷程：
1993年10月，以歐共體聚變部名譽主任帕侖布教授為首的來自國際上各大核聚變實驗室的12位著名聚變科學家，對我所當時正在建設的HT-7超導托卡馬克裝置和中國科學院等離子體所的聚變研究發展戰略進行了評議。這是我所第一次提出分三階段實施聚變科學研究的計劃。
1994年底，科學院基礎局邀請了6位兩院院士和8位專家在合肥召開了「HT-7U超導托卡馬克計劃座談會」，這是HT-7U計劃首次較正式提出。
1996年初，部分兩院院士在京西賓館對「九五」國家重大科學工程項目進行初步評估，HT-7U裝置建設第一次得到國家級專家的贊同並被列入前十位項目中。
1997年6月，國家科技領導小組批准中國科學院關於「HT-7U大科學工程項目立項」的申請，該項目正式進入國家重大科學工程項目的立項操作程序。
1997年10月，由國家計委委託中國科學院主持召開「HT-7U工程項目建議書專家評估會」；該項目的建設方案和計劃獲得與會專家的好評。
1998年4月，正式通過國家計劃發展委員會委託中國國際工程咨詢公司主持召開的「HT-7U工程項目建議書專家評估會」的評估論證，這表明該項目的科學目標和技術參數及方案都得到專家們的贊許。
1998年7月，國家發展計劃委員會正式批復「HT-7U工程項目建議書」（批文中同意「由中科院等離子體所承擔建設」，「具有超導縱場和極向場線圈，具有D形非圓截面，包括托卡馬克、低溫致冷等9個子系統」。批文規定「在2003年6月完成建設工作並進行鑒定驗收。項目總投資控制在1.65億元」）
1998年10月，HT-7U工程項目可行性研究報告在北京獲得中國科學院基建局主持的專家評估會一致通過，至此，該項目的設計方案和工程經費基本確定，國家發展計劃委員會和財政部依此撥出專項經費。 受控熱核聚變的實驗和研究，經過50多年核聚變界科學家們的不懈努力，終於在常規Tokamak類型的裝置上取得了突破性的進展。但是按照常規托卡馬克裝置建堆，不僅體積大、效率低，而且是脈沖運行。但是，一個經濟實用的商用堆必須是高效、緊湊和穩態運行的。超導托卡馬克正是在這一點有著極大的優勢，即可以穩態運行。如果在超導托卡馬克上實現了穩態運行又在穩態運行條件下大大改善了約束，則將為未來穩態、先進聚變反應堆奠定工程技術和物理基礎，意義十分重大。
HT-7U不僅是一個全超導托卡馬克而且具有會改善等離子體約束狀況的大拉長非圓截面的等離子體位形，它的建成將使我國在2003年左右成為世界上少數幾個擁有這種類型超導托卡馬克裝置的國家，從而使我國磁約束核聚變研究進入世界前沿。在裝置建成後的10~15年期間，能在裝置上對建造穩態先進的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實驗研究。HT- 7U的建成將使中國在人類開發清潔而又無限的核聚變能的領域內做出自己應有的重大貢獻。因此，HT-7U的建造具有十分重大的科學意義。
本項國家級重大科學工程的主要工程目標是必須建設：
可穩態運行的超導托卡馬克HT-7U裝置主機，該實驗裝置應達到如下主要設計參數：
超導縱場場強BT = 3.5T
等離子體大半徑R = 1.78m
等離子體小半徑a = 0.4m
等離子體拉長比K = b/a = 1.6 ~ 2
加熱場最大磁通變化能力△Φ = (8-10)V-S
等離子體電流IP = 1 MA
可穩態運行的低混雜波驅動等離子體電流系統（LHCD），該系統主要工程參數應達到：
總 功 率 P = 3.5 MW
工作頻率 f0 = 2.45 GHz，3.7 GHz
可連續運行的離子迴旋波加熱系統(ECRF)，該系統主要工程參數應達到：
總 功 率 P = 3 ~ 3.5 MW
工作頻率 f0 = 30 ~ 110 MHz
可保證HT-7U基本運行和實驗的其它工程系統：如低溫、診斷、電源、真空、計算機控制、數據採集和處理、水冷系統等，這些子系統的也都毫無疑問必須滿足HT- 7U超導托卡馬克裝置穩態運行的要求。
HT-7U不是一個聚變堆，它是針對目前建造托卡馬克核聚變堆尚存在的前沿性物理問題，進行探索性的實驗研究，為未來穩態、安全、高效的先進商業聚變堆提供物理和工程技術基礎。 HT-7U項目的最高管理機構是由中國科學院任命的「HT- 7U項目管理委員會」，中國科學院副院長白春禮任管委會主任，安徽省常務副省長汪洋任副主任，組成人員有中國科學院秘書長竺玄、副秘書長錢文藻、計財局長顧文琪、基建局長薛鍾靈、基礎局長金鐸和合肥分院院長王紹虎以及國家發展計劃委員會一人、科學技術部一人。
HT-7U項目完全按照國家基建項目實施總經理負責制的組織管理，中國科學院任命的工程指揮部組成人員如下：
萬元熙為項目總經理（項目法人），翁佩德、謝紀康、李建剛任副總經理，
翁佩德兼任總工程師；
王孔嘉任總經濟師；
高大明任總工藝師。
中國科學院還任命了HT-7U項目科技委員會的組成人員，趙仁愷院士任科技委員會主任，徐至展院士、嚴陸光院士和石秉仁研究員任任副主任，組成人員有阮可強院士、賀賢土院士、趙凱華教授、余昌旋教授、舒炎泰教授、陸全康教授和我所的邱勵儉研究員。
為便於切實抓緊、抓好HT-7U項目的建設工作和有關改項目的各項管理工作，所領導決定：
1、設立HT-7U項目總經理辦公會來協調、決定有關HT-7U項目的重大管理方面的決策；
2、成立HT-7U工程總體組(副總工程師、副總工藝師、副總經濟師等組成）；任命了各分項技術負責人，設立由以上人員組成的總工程師辦公會議來研究、解決HT-7U工程建設中的有關設計方案和實施方案方面的重要技術問題；還設立了依邱勵儉為首王紹華、季幼章、許家治等參加的工程顧問組。
工程總體組及各分項技術負責人如下：
副總工程師： 武松濤（主機設計)
畢延芳(低溫系統、超導導體)
高秉鈞 (超導實驗)
李建剛（第一壁及真空系統）
劉正之（電源及控制）
副總工藝師： 王永誠、 孫世洪
副總經濟師： 黃貴、 薑桂萍
總控制、數采及處理系統 羅家融
真空抽充氣及加料、第一壁處理等 辜學茂
水冷系統（包括去離子水冷卻系統） 張祥勤
電網設計及供電系統 孫世洪、周士國
診斷系統 萬寶年
基建（包括冷、暖） 孫世洪
環保分析及安全監控 吳宜燦
LHCD系統 匡光力
ICRH系統 趙燕平
ECRH系統 劉保華
我所目前已介入HT-7U項目建設工作的科研人員大約有近200人，主要有一室和三室的全部人員，二室、五室、六室、七室、八室、十室、十一室、技術中心和研製中心以及管理部門的部分人員。
目前，HT-7U項目的所有設計人員都實行嚴格的崗位責任制，發放崗績津貼，全所上下都對於HT-7U項目的設計和研製傾注了滿腔熱情，提供了各方面的支持。 在所領導和HT-7U工程指揮部的強有力的領導下，在所有參加HT-7U項目的設計和預研工作的同志們的共同努力下（其中也包括有所外的有關工廠和研究部門的大力協作），HT-7U項目的工程設計和預研已經取得了多方面的進展，我們在此簡要介紹如下：
1、HT-7U裝置超導磁體所使用的CICC超導導體的研製取得了重大進展，裝置設計室在合肥電纜廠和西北有色金屬研究院等工業部門的協作下，順利研製出一根長度為200米的模擬CICC導體和兩根總長為600米的全尺寸CICC超導導體，這是我國第一次研製出大電流的低溫超導導體，繼以上的包管焊管製造CICC超導導體後，裝置設計室又在合肥電纜廠和所研製中心的協作下，順利研製出穿管製作的CICC超導導體，這為降低CICC超導導體的造價和減小製造的技術難度起到了決定性的作用。
2、所研製中心已經成功地研製出專用於HT- 7U裝置CICC超導導體繞制的繞線機，並且已經使用該繞線機和模擬CICC導體繞制出2:3尺寸的D形縱場模擬雙餅工藝試驗磁體，這標志著我所研製中心具備了繞制具有較高精度的復雜D形磁體的加工能力。
3、裝置主機設計方案初步完成，其中超導縱場系統已經按兩種超導導體的方案進行了技術方案設計，即基於採用美國SSC電纜的浸泡式超導磁體方案和基於CICC導體的迫流內冷超導磁體方案；極向場電磁參數特別是加熱場參數的優化設計計算取得了比較好的設計計算結果；真空室、內外冷屏、外真空室以及裝置的支撐結構等方案也已初步確定，現正在進行有關的工程設計和工藝技術方面的調研、討論。
4、裝置設計室完成極向場中心螺管模擬線圈的設計，目前正在所研製中心利用自行研製的兩根總長為600米的CICC超導導體進行繞制，這將是我國的第一個大電流低溫超導磁體。
在進行並完成以上工作的同時，為確保HT-7U裝置設計既具有參數先進又穩妥可靠，有選擇地將有關的設計工作作為國際合作項目徵求國外專家的意見，其中對於裝置的總體設計參數和裝置的工程方案設計已經召開了有世界核聚變領域的著名專家參加的國際討論會。與有著豐富超導托卡馬克設計製造經驗的俄羅斯庫爾恰托夫研究院核聚變所和葉夫列莫夫所開展了較為廣泛的合作，對有關的設計計算參數、電磁場分析計算、等離子體的平衡位形設計計算、傳熱和超導移能等進行了分析校核。關於裝置的極向場物理設計和等離子體平衡位形的設計計算方面還與美國GA開展了合作，用美國的程序對HT-7U的設計計算進行了進一步的校核。
目前，除各子系統都在進行緊張的擴大初步設計外，有關的研製工作也在緊張進行中。主要有：
1、通過國際合作，對已經研製出的CICC超導導體進行超導性能方面的綜合測試試驗，以便為CICC超導導體的最終設計提高必要的數據，也為我們自己建立超導導體、超導磁體測試實驗室提供借鑒和經驗。該項工作今年必須完成。
2、裝置設計室完成了低溫超導試驗所必需的試驗大杜瓦的設計，目前正在進行加工製造的詢標、議標工作，今年力爭基本完成加工並進行組裝調試。
3、中心螺管模型磁體必須完成繞制、絕緣處理等全部製造工序，裝置設計室完成的大電流的CICC超導導體的接頭的研製必須在上半年完成，以便確定模型磁體所採用的超導導體接頭形式。
4、單根長度達600米的CICC超導導體穿管生產線今年完成建造，進行試制生產。
全部的裝置設計資料、參考資料、設計計算報告等技術資料都已經在總師辦歸檔保存，已經可以從網路上查閱資料名稱，也可以很方便地去總師辦借閱。有關項目的文件和技術合同、合作協議類資料在項目辦公室保存。 承擔「HT-7U超導托卡馬克裝置建設」項目是對我所的核聚變實驗裝置工程設計能力和技術加工能力以及超導托卡馬克裝置運行實驗的檢驗和挑戰，應該看到盡管我所有著一定的托卡馬克設計、製造、運行和控制的經驗，但對於HT-7U超導托卡馬克裝置這樣的全超導托卡馬克裝置，非但是我們所，即便是世界上的核聚變大國(美國、西歐、日本、法國、俄羅斯等)，也都未曾有這樣的經歷和經驗，所以，可以毫不誇張地說HT-7U超導托卡馬克裝置的建成之日，也一定是我國進入世界核聚變研究大國的行列之日。
正因為如此，HT-7U超導托卡馬克裝置的設計建造以及實驗運行是必然的給我們帶來了巨大的挑戰，我們必須對此有一個清醒的認識。其中最為核心的具有挑戰性的工程技術方面的難點有：
HT-7U裝置所使用的CICC超導導體的設計、研製和試驗測試技術；
較大電流變化、較高磁場變化的超導極向場磁體的設計、製造和試驗測試及實驗運行技術；
非圓、大拉長截面、穩態的等離子體控制技術；
從HT-7U超導托卡馬克裝置建設的立項可以看出，我國的核聚變科學研究工作已經得到國家的大力支持，該項科學研究已經有著廣泛的國際合作的基礎。隨著我國綜合國力的提高，相信國家對聚變研究的支持強度肯定會不斷增加，在此基礎上，中國開發聚變能的研究一定會進入世界先進行列並為人類社會的可持續發展做出重大貢獻。
努力做好我們的工作，把HT-7U裝置早日建成，為把我國建成科技強國而奮斗,為我國的技術進步而努力。 ：
課題號
課題名
負責人
U1010000
主機設計
武松濤
U1020000
低溫系統
畢延芳
U1030000
電源系統
劉正之
U1040000
真空系統
辜學茂
U1050000
超導實驗
高秉鈞
U1060000
第一壁材料
李建剛
U1070000
環保與防護
吳宜燦
U2010000
物理設計
虞清泉
U2020000
低混雜波
匡光力
U2030000
離子迴旋波
趙燕平
U2040000
數采
羅家融
U2050000
控制
羅家融
U2060000
診斷
萬寶年
U2070000
電子迴旋波
劉保華
U3010000
高大明
U3020000
孫世洪
U3030000
孫世洪
U3040000
水冷系統
張祥勤
U3050000
高大明
U3060000
高大明
U4010000
王孔嘉
U4020000
王孔嘉
U4030000
翁佩德
U4040000
王孔嘉
U4050000
王孔嘉
U4060000
高大明
U4070000
王孔嘉

㈢ 「環流磁真空室」又稱「托卡馬克」，最初是由蘇聯科學家阿齊莫維齊等人在什麼時間發明的

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。

㈣ 中科院的全超導的「人造太陽」——托克馬克核聚變試驗裝置的調試運行成功，使我國在該領域的研究處於世界

可控核聚變俗稱人造太陽，因為太陽的原理就是核聚變反應。（核聚變反應主要藉助氫同位素。核聚變不會產生核裂變所出現的長期和高水平的核輻射，不產生核廢料，當然也不產生溫室氣體，基本不污染環境）人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。科學家們希望發明一種裝置，可以有效控制「氫彈爆炸」的過程，讓能量持續穩定的輸出。科學家們把這類裝置比喻為「人造太陽」。
為實現磁力約束，需要一個能產生足夠強的環形磁場的裝置，這種裝置就被稱作「托克馬克裝置」——TOKAMAK，也就是俄語中是由「環形」、「真空」、「磁」、「線圈」的字頭組成的縮寫。早在1954年，在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一個托卡馬克裝置。貌似很順利吧？其實不然，要想能夠投入實際使用，必須使得輸入裝置的能量遠遠小於輸出的能量才行，我們稱作能量增益因子——Q值。當時的托卡馬克裝置是個很不穩定的東西，搞了十幾年，也沒有得到能量輸出，直到1970年，前蘇聯才在改進了很多次的托卡馬克裝置上第一次獲得了實際的能量輸出，不過要用當時最高級設備才能測出來，Q值大約是10億分之一。別小看這個十億分之一，這使得全世界看到了希望，於是全世界都在這種激勵下大幹快上，紛紛建設起自己的大型托卡馬克裝置，歐洲建設了聯合環-JET,蘇聯建設了T20（後來縮水成了T15，線圈小了，但是上了超導），日本的JT-60和美國的TFTR（托卡馬克聚變實驗反應器的縮寫）。這些托卡馬克裝置一次次把能量增益因子（Q）值的紀錄刷新，1991年歐洲的聯合環實現了核聚變史上第一次氘－氚運行實驗，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚變反應持續了2秒鍾，獲得了0.17萬千瓦輸出功率，Q值達0.12。1993年，美國在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，兩次實驗釋放的聚變能分別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，Q值達到了0.28。1997年9月，聯合歐洲環創1.29萬千瓦的世界紀錄，Q值達0.60，持續了2秒。僅過了39天，輸出功率又提高到1.61萬千瓦， Q值達到0.65。三個月以後，日本的JT－60上成功進行了氘－氘反應實驗，換算到氘－氚反應，Q值可以達到1。後來，Q值又超過了1.25。這是第一次Q值大於1，盡管氘-氘反應是不能實用的（這個後面再說），但是托卡馬克理論上可以真正產生能量了。在這個大環境下，中國也不例外，在70年代就建設了數個實驗托卡馬克裝置——環流一號（HL-1）和CT-6，後來又建設了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了環流2號。有種說法，說中國的托卡馬克裝置研究是從俄羅斯贈送設備開始的，這是不對的，HT6/HL1的建設都早於俄羅斯贈送的HT-7系統。HT-7以前，中國的幾個設備都是普通的托卡馬克裝置，而俄羅斯贈送的HT-7則是中國第一個「超脫卡馬克」裝置。什麼是「超脫卡馬克裝置」呢？回過頭來說，托卡馬克裝置的核心就是磁場，要產生磁場就要用線圈，就要通電，有線圈就有導線，有導線就有電阻。托卡馬克裝置越接近實用就要越強的磁場，就要給導線通過越大的電流，這個時候，導線里的電阻就出現了，電阻使得線圈的效率降低，同時限制通過大的電流，不能產生足夠的磁場。托卡馬克貌似走到了盡頭。幸好，超導技術的發展使得托卡馬克峰迴路轉，只要把線圈做成超導體，理論上就可以解決大電流和損耗的問題，於是，使用超導線圈的托卡馬克裝置就誕生了，這就是超脫卡馬克。目前為止，世界上有4個國家有各自的大型超脫卡馬克裝置，法國的Tore－Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U，和中國的EAST。除了EAST以外，其他四個大概都只能叫「准超托卡馬克」，它們的水平線圈是超導的，垂直線圈則是常規的，因此還是會受到電阻的困擾。此外他們三個的線圈截面都是圓形的，而為了增加反應體的容積，EAST則第一次嘗試做成了非原型截面。此外，在建的還有德國的螺旋石-7，規模比EAST大，但是技術水平差不多。

㈤ 托卡馬克的歷史發展

二戰末期，前蘇聯和美、英各國曾出於軍事上的考慮，一直在互相保密的情況下開展對核聚變的研究。幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質裝在什麼容器里一直是困擾人們的難題。二十世紀五十年代初期，前蘇聯科學家提出托卡馬克的概念。托卡馬克（TOKAMAK）在俄語中是由「環形」、「真空」、「磁」、「線圈」幾個片語合而成，這是一種形如麵包（多納）圈的環流器，依靠等離子體電流和環形線圈產生的強磁場，將極高溫等離子狀態的聚變物質約束在環形容器里，以此來實現聚變反應。
1954年，第一個托卡馬克裝置在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所建成。當人們提出這種磁約束的概念後，磁約束核聚變研究在一些方面的進展順利，氫彈又迅速試驗成功，這曾使不少國家的核科學家一度對受控核聚變抱有過分樂觀的態度。但人們很快發現，約束等離子體的磁場，雖然不怕高溫，卻很不穩定。另外，等離子體在加熱過程中能量也不斷損失。
1985年，美國里根總統和前蘇聯戈爾巴喬夫總統，在一次首腦會議上倡議開展一個核聚變研究的國際合作計劃，要求「在核聚變能方面進行最廣泛的切實可行的國際合作」。後來戈爾巴喬夫、里根和法國總統密特朗又進行了幾次高層會晤，支持在國際原子能機構（IAEA）主持下，進行國際熱核實驗堆（ITER）概念設計和輔助研究開發方面的合作。這是當時也是當前開展核聚變研究的最重大的國際科學和技術合作工程項目。1987年春，IAEA總幹事邀請歐共體、日本、美國和加拿大、前蘇聯的代表在維也納開會，討論加強核聚變研究的國際合作問題，並達成了協議，四方合作設計建造國際熱核實驗堆。
1990年，中國國家科學院等離子所興建大型超導托卡馬克裝置，得到俄、美、歐盟等機構、專家大力的支持。特別是俄羅斯科學家，世界聚變研究最具權威的俄羅斯國家研究中心卡多姆采夫教授，成為裝置建設的「經常性技術指導」。
1993年HT－7建成，中國成為世界上俄、法、日（法國的Tore－Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U）之後第四個擁有同類大型裝置的國家。中國在裝置相關的超導、低溫製冷、強磁場等研究都登上新的台階。
1993年12月9日和10日，美國在TFTR裝置上使用氘、氚各50%的混合燃料，使溫度達到3億至4億攝氏度，兩次實驗釋放的聚變能分別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，大約為JET輸出功率的2倍和4倍，能量增益因子Q值達0.28。與JET相比，Q值又得到很大提高。
1997年9月22日，聯合歐洲環JET又創造輸出功率為1.29萬千瓦的世界紀錄，能量增益因子Q值達0.60，持續時間2秒。僅過了39天，輸出功率又提高到1.61萬千瓦，Q值達到0.65。
1997年12月，日本方面宣布，在JT－60上成功進行了氘－氘反應實驗，換算到氘－氚反應，Q值可以達到1.00。後來，Q值又超過了1.25。在JT－60U上，還達到了更高的等效能量增益因子，大於1.3,它也是從氘－氘實驗得出的結果外推後算出的。
2000年，HT－7實驗放電時間超過10秒，標志中國在這重大基礎理論研究領域中進入世界先進行列。
2002年1月28日，在中國成都的核工業西南物理研究院與合肥西郊的中國科學院等離體物理研究所，基於超導托卡馬克裝置HT－7的可控熱核聚變研究再獲突破，實現了放電脈沖長度大於100倍能量約束時間、電子溫度2000萬攝氏度的高約束穩態運行，中心密度大於每立方米1.2×1019，運行參數居世界前兩位。本輪實驗有來自美、日等14個研究機構的18位外籍專家參與。
2006年，中國新一代「人造太陽」實驗裝置（EAST）實現了第一次「點火」——激發等離子態與核聚變。很快，它就實現了最高連續1000秒的運行，這在當時是前所未有的成就。

2012年04月22日，中國新一代「人造太陽」實驗裝置（EAST）中性束注入系統（NBI）完成了氫離子束功率3兆瓦、脈沖寬度500毫秒的高能量離子束引出實驗。本輪實驗獲得的束能量和功率創下中國國內紀錄，並基本達到EAST項目設計目標。這標志著中國自行研製的具有國際先進水平的中性束注入系統基本克服所有重大技術難關。

㈥ 報載中國建成全球首個人造太陽，有無更多詳情

50多年來的熱核聚變研究一直圍繞著一個主題，就是要實現可控的核聚變反應，造出一個人造太陽，一勞永逸地解決人類的能源之需。

地球上的化石燃料已經所剩無幾，人類如何找到理想的替代能源？50多年來的熱核聚變研究一直圍繞著一個主題，那就是要實現可控的核聚變反應，造出一個人造太陽，一勞永逸地解決人類發展的能源之需。國際熱核聚變試驗堆的即將啟動為人類實現這個夢想帶來了曙光。再用50年，人們能看到人造太陽嗎？

萬物生長靠太陽，人類生存自然也離不開太陽。我們生火煮飯的柴草來自太陽，水力發電來自太陽，汽車裏燃燒的汽油來自太陽……實際上，迄今為止，除了核能以外，我們使用的所有能源幾乎都來自太陽。太陽像所有的恆星一樣進行著簡單的熱核聚變，向外無休止地輻射著能量。

我們現今所使用的能源，有些直接來自太陽，有些是太陽能轉化的能源，像水能、風能、生物能，有些是早期由太陽能轉化來的一直儲存在地球上的能源，像煤炭、石油這樣的化石燃料。人類社會發展到今天，僅靠太陽給予的可用能源已經不夠用了。人類能源消耗快速增加，水能的開發幾近到達極限，風能、太陽能無法形成規模。我們今天使用的主要能源是化石燃料，再有100多年即將用盡。人們還抱怨化石燃料對大氣造成了污染，增加了溫室氣體。要知道它們是太陽和地球用了上億年才形成的，但只夠人類使用三四百年，而且它們是不可再生的。另外，煤炭、石油等是人類重要的自然資源，作為燃料燒掉是非常可惜的。人們無不擔心，煤和石油燒完了，而其他能源又接替不上該怎麼辦？能源危機開始困擾著人類，人們一直在尋找各種可能的未來能源，以維持人類社會的持續發展。

造一個太陽

細心的人會發現，在元素周期表中，雖然元素是由質子和中子成對增加依次構成的，但是原子的重量卻不是按質子和中子的增加而等量增加的。在較輕的原子中，質子和中子的重量偏重，如果兩個輕的原子合成一個重原子，兩個輕原子的原子量之和往往重於合成的重原子。同樣，在較重的原子中，質子和中子的重量也偏重，一個重原子分裂為兩個輕原子，重原子的原子量一般重於兩個輕原子之和。只是在鐵元素附近的原子中，質子和中子的重量偏輕。由此可見，在原子核反應中，質量是不守恆的，即出現了所謂的質量虧損。這些質量到哪裡去了呢？按照愛因斯坦的質能關系公式E=mc2，虧損的質量轉換為能量，由於c2是個巨大的系數，很小的質量就可釋放出巨大的能量。科學家正是基於這一點，利用重金屬的核裂變製造出了原子彈，利用輕元素的核聚變製造出了氫彈。

原子彈和氫彈的巨大威力令人懼怕，同時也讓人們興奮，因為原子中蘊藏的能量太大了，能否利用這種能源是人們自然想到的問題。原子彈和氫彈中的巨大能量是在瞬間釋放出來的，而要作為常規能源使用，就必須實現可控制的核裂變和核聚變。對於核裂變來說，控制起來相對比較容易，裂變核電站早已經實現商業運行。但能用來產生核裂變的鈾235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長壽命的放射性較強的核廢料，這些因素限制了裂變能的發展。

對人們來說，最具誘惑力的自然是核聚變，它的單位質量產生的能量比核裂變還要大幾倍。實際上，宇宙中最常見的就是氫元素的聚變反應，所有的恆星幾乎都在燃燒著氫，因為氫是宇宙中最豐富的元素。氫的聚變反映在太陽上（還有少量其他核聚變）已經持續了近50億年，至少還可以再燃燒50億年。氫在地球上也是非常豐富的，每個水分子中都有2個氫原子，但最容易實現的聚變反應是氫的同位素—氘與氚的聚變（氫彈就是這種形式的聚變）。氘和氚發生聚變後，2個原子核結合成1個氦原子核，並放出1個中子和17.6兆電子伏特能量。就氘來說，它是海水中重水（水分子為H2O，重水為D2O，只佔海水中的一小部分）的組成元素，海水中大約每6500個氫原子中有1個氘原子。每升水約含30毫克氘（產生的聚變能量相當於300升汽油），其儲量就多達40萬億噸。一座1000兆瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304公斤，海水中的氘足夠人類使用上百億年，這就比太陽的壽命還要長了，更不要說再使用氫了。另外，除氚具有放射性危險之外，氘-氚聚變反應不產生長壽命的強放射性核廢料，其少量放射性廢料也很快失去放射性。氘-氘反應沒有任何放射性。可以說氫及其同位素的聚變反應是一種高效清潔的能源，而且真正是用之不絕。既然恆星上都在進行著這樣的核聚變，地球上也不缺這種核聚變的原料，只要實現可控的核聚變，就可以造出一個供人們永久使用的「太陽」。實際上，自從人們揭開太陽燃燒的秘密以來，就一直希望模仿太陽在地球上實現核聚變從而為人類提供無盡的能源。盡管50多年過去了，人們只見到了氫彈的爆炸，而沒有看到一座核聚變發電站的出現，但它誘人的前景依然是人們心中一個割捨不去的夢。

比想像的要難

在太陽上由於引力巨大，氫的聚變可以自然地發生，但在地球上的自然條件下卻無法實現自發的持續核聚變。在氫彈中，爆發是在瞬間發生並完成的，可以用一個原子彈提供高溫和高壓，引發核聚變，但在反應堆裏，不宜採用這種方式，否則反應會難以控制。

根據核聚變發生的機理，要實現可控制的核聚變實際上比造個太陽要難多了。我們知道，所有原子核都帶正電，兩個原子核要聚到一起，必須克服靜電斥力。兩個核之間靠得越近，靜電產生的斥力就越大，只有當它們之間互相接近的距離達到大約萬億分之三毫米時，核力（強作用力）才會伸出強有力的手，把它們拉到一起，從而放出巨大的能量。要使它們聯起手來並不難，難的是既要讓它們有拉手的機會又不能讓他們過於頻繁地拉手。要使它們有機會拉手，就要使粒子間有足夠的高速碰撞的機會，這可以增加原子核的密度和運動速度。但增加原子核的密度是有限制的，否則一旦反應加速，自身放出的能量會使反應瞬間爆發。據計算，在維持一定的密度下，粒子的溫度要達到1～2億度才行，這要比太陽上的溫度（中心溫度1500萬度，表面也有6000度）還要高許多。但這樣高的溫度拿什麼容器來裝它們呢？

這個問題並沒有難倒科學家，20世紀50年代初，蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念。蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇按照這樣的思路，不斷進行研究和改進，於1954年建成了第一個磁約束裝置。他將這一形如麵包圈的環形容器命名為托卡馬克（tokamak）。托卡馬克是「磁線圈圓環室」的俄文縮寫，又稱環流器。這是一個由封閉磁場組成的「容器」，像一個中空的麵包圈，可用來約束電離了的等離子體。我們知道，一般物質到達10萬度時，原子中的電子就脫離了原子核的束縛，形成等離子體。等離子體是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的氣體，整體是電中性的。在磁場中，它們的每個粒子都是顯電性的，帶電粒子會沿磁力線做螺旋式運動，所以等離子體就這樣被約束在這種環形的磁場中。這種環形的磁場又叫磁瓶或磁籠，看不見，摸不著，也不接觸有形的物體，因而也就不怕什麼高溫了，它可以把炙熱的等離子體托舉在空中。

人們本來設想，有了「麵包爐」，只需把氘、氚放入爐內加火烤制，把握好火候，能量就應該流出來。其實不然，人們接著遇到的麻煩是，在加熱等離子體的過程中能量耗散嚴重，溫度越高，耗散越大。一方面，高溫下粒子的碰撞使等離子體的粒子會一步一步地橫越磁力線，攜帶能量逃逸；另一方面，高溫下的電磁輻射也要帶走能量。這樣，要想把氘、氚等離子體加熱到所需的溫度，不是件容易的事。另外，磁場和等離子體之間的邊界會逐漸模糊，等離子體會從磁籠裏鑽出去，而且當約束等離子體的磁場一旦出現變形，就會變得極不穩定，造成磁籠斷開或等離子體碰到聚變反應室的內壁上。

步步逼近

托卡馬克中等離子體的束縛是靠縱場（環向場）線圈，產生環向磁場，約束等離子體，極向場控制等離子體的位置和形狀，中心螺管也產生垂直場，形成環向高電壓，激發等離子體，同時加熱等離子體，也起到控制等離子體的作用。

幾十年來，人們一直在研究和改進磁場的形態和性質，以達到長時間的等離子體的穩定約束；還要解決等離子體的加熱方法和手段，以達到聚變所要求的溫度；在此基礎上，還要解決維持運轉所耗費的能量大於輸出能量的問題。每一次等離子體放電時間的延長，人們都為之興奮；每一次溫度的提高，人們都為之歡呼；每一次輸出能量的提高，都意味著我們離聚變能的應用更近了一步。盡管取得了很大進步，但障礙還是沒有克服。到目前為止，托卡馬克裝置都是脈沖式的，等離子體約束時間很短，大多以毫秒計算，個別可達到分鍾級，還沒有一台托卡馬克裝置實現長時間的穩態運行，而且在能量輸出上也沒有做到不賠本運轉。

為了維持強大的約束磁場，電流的強度非常大，時間長了，線圈就要發熱。從這個角度來說，常規托卡馬克裝置不可能長時間運轉。為了解決這個問題，人們把最新的超導技術引入到托卡馬克裝置中，也許這是解決托卡馬克穩態運轉的有效手段之一。目前，法國、日本、俄羅斯和中國共有4個超導的托卡馬克裝置在運行，它們都只有縱向場線圈採用超導技術，屬於部分超導。其中法國的超導托卡馬克Tore-Supra體積較大，它是世界上第一個真正實現高參數准穩態運行的裝置，在放電時間長達120秒的條件下，等離子體溫度為2000萬度，中心粒子密度每立方米1.5×1019個。中國和韓國正在建造全超導的托卡馬克裝置，目標是實現托卡馬克更長時間的穩態運行。

50年來，全世界共建造了上百個托卡馬克裝置，在改善磁場約束和等離子體加熱上下足了功夫。在上世紀70年代，人們對約束磁場研究有了重大進展，透過改變約束磁場的分布和位形，解決了等離子體粒子的側向漂移問題。世界范圍內掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國、歐洲、日本、蘇聯建造了四個大型托卡馬克，即美國1982年在普林斯頓大學建成的托卡馬克聚變實驗反應堆（TFTR），歐洲1983年6月在英國建成更大裝置的歐洲聯合環（JET），日本1985年建成的JT-60，蘇聯1982年建成超導磁體的T-15，它們後來在磁約束聚變研究中做出了決定性的貢獻。特別是歐洲的JET已經實現了氘、氚的聚變反應。1991年11月，JET將含有14%的氚和86%的氘混合燃料加熱到了攝氏3億度，聚變能量約束時間達2秒。反應持續1分鍾，產生了1018個聚變反應中子，聚變反應輸出功率約1.8兆瓦。1997年9月22日創造了核聚變輸出功率12.9兆瓦的新記錄。這一輸出功率已達到當時輸入功率的60%。不久輸出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡馬克上最高輸出與輸入功率比已達1.25。

中國的核聚變研究也有較快的發展，西南物理研究院1984年建成中國環流器一號（HL-1），1995年建成中國環流器新一號。中國科學院等離子體物理研究所1995年建成超導裝置HT-7。HT-7是前蘇聯無償贈送給中國的一套縱向超導的托卡馬克實驗裝置，經等離子體物理研究所的不斷改進，它已成為一個寵大的實驗系統。它包括HT-7超導托卡馬克裝置本體、大型超高真空系統、大型計算機控制和資料採集處理系統、大型高功率脈沖電源及其迴路系統、全國規模最大的低溫氦製冷系統、兆瓦級低雜波電流驅動和射頻波加熱系統以及數十種復雜的診斷測量系統。在十幾次實驗中，取得若干具有國際影響的重大科研成果。特別是在2003年3月31日，實驗取得了重大突破，獲得超過1分鍾的等離子體放電，這是繼法國之後第二個能產生分鍾量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。在HT-7的基礎上，等離子體物理研究所研製和設計了全超導托卡馬克裝置HT-7U（後來名字更改為EAST，Experimental Advanced Superconcting Tokamak），目前正在組裝階段，預計2005年建成。

EAST或者稱「實驗型先進超導托卡馬克」，是一台全超導托卡馬克裝置，受到國際同行的矚目。國際專家普遍認為，EAST可能將成為世界上第一個可實現穩態運行、具有全超導磁體和主動冷卻第一壁結構的托卡馬克。該裝置有真正意義的全超導和非圓截面特性，更有利於科學家探索等離子體穩態先進運行模式，其工程建設和物理研究將為「國際熱核聚變實驗堆」（ITER）的建設提供直接經驗和基礎。

為了達到聚變所要求的條件，托卡馬克已經變為一個高度復雜的裝置，十八般武藝全用上了，其中有超大電流、超強磁場、超高溫、超低溫等極限環境，對工藝和材料也提出了極高的要求，從堆芯上億度的高溫到線圈中零下269度的低溫，就可見一斑。

合作之路

從上個世紀50年代初，美國和蘇聯分別開始秘密地研究可控的核聚變，因為核聚變反應堆不僅可以獲取用之不絕的能源，還可以用作穩定的中子源，例如可用來生產核裂變原料。但理論研究和實驗技術上遇到一個又一個難以逾越的障礙，不久獨立進行研究的各國就認識到這件事並不容易，只有開展廣泛的國際合作才是加速實現核聚變能利用的可行之路。隨後逐漸相互公開研究資料和進展，開始了合作之路。即使在冷戰時期，其他核技術都是相互保密的，惟獨熱核聚變技術是相互公開的。

1985年，美國總統裏根和蘇聯總統戈巴契夫，在一次首腦會議上倡議開展一個核聚變研究的國際合作計劃，要求「在核聚變能方面進行最廣泛的、切實可行的國際合作」。戈巴契夫、裏根和法國總統密特朗後來又進行了幾次高層會晤，支援在國際原子能機構主持下，進行國際熱核實驗反應堆，即ITER的概念設計和輔助研究開發方面的合作。

1987年春，國際原子能機構總幹事邀請歐共體、日本、美國和加拿大、蘇聯的代表在維也納開會，討論加強核聚變研究的國際合作問題，並達成協定，四方合作設計建造國際熱核實驗堆，並由此誕生了第一個國際熱核實驗堆的概念設計計劃。計劃將於2010年建成一個實驗堆，預期產生熱功率1500兆瓦、等離子體電流2400萬安培，燃燒時間可達16分鍾。

隨後，由於蘇聯的解體，計劃受到很大影響，1999年美國的退出使ITER計劃雪上加霜。日本和歐共體國家於是成為支援國際磁約束聚變研究計劃的主體力量。經過多年的努力，ITER工程設計修改方案也終於在2001年6月圓滿完成。

根據計劃，首座熱核反應爐將於2006年開工，總造價為約40億歐元。聚變功率至少達到500兆瓦。等離子體的最大半徑6米，最小半徑2米，等離子體電流1500萬安培，約束時間至少維持400秒。未來發展計劃包括一座原型聚變堆在2025年前投入運行，一座示範聚變堆在2040年前投入運行。

2003年2月18日，美國宣布重新加入這一大型國際計劃，中國也於前一個月正式加入該項計劃的前期談判。19日，國際熱核實驗反應堆計劃參與各方在俄羅斯聖彼得堡決定，將於2013年前在日本、西班牙、法國和加拿大四國中的一個國家中建成世界上第一座熱核反應爐。

2003年12月20日在華盛頓召開的一次非常熱鬧的會議上出現了兩軍對壘的形勢：歐盟、中國和俄羅斯主張把反應堆建在法國的卡達拉齊，而美國、南朝鮮和日本則主張建在日本的六所村。因為沒有選擇加拿大作為反應堆候選國，加拿大政府隨後宣布，由於缺乏資金退出該專案。

ITER的相關會議確定，反應堆所在國出資48%，其他國家各出資10%。目前各項細節談判正在緊鑼密鼓地進行之中，反應堆建在哪裡還沒有最終確定。

盡管ITER計劃採用了最先進的設計，綜合了以往的經驗和成果，比如採用全超導技術，但它的確還面臨重重挑戰。即使它能如期在2013年如期建成，這個10層樓高的龐大機器能否達到預期目標也還是個未知數。諸如探索新的加熱方式與機制為實現聚變點火，改善等離子體的約束性能，反常輸運與漲落現象研究等前沿課題，偏濾器的排灰、大破裂的防禦、密度極限、長脈沖H-模的維持、中心區雜質積累等工程技術難關還有待於各國科技工作者群力攻關。即使對ITER的科學研究真的成功了，聚變發電站至少還要30～50年以後才能實現。

盡管如此，我們還是看到了人造太陽露出的晨曦。

（本文經中科院等離子體所裝置總體設計研究室武松濤主任審讀）

㈦ 鋼鐵俠反應堆是什麼原理

鋼鐵俠反應堆是根據「托卡馬克裝置」的原理，製作成的。

托卡馬克是一環形裝置，通過約束電磁波驅動，創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫，並實現人類對聚變反應的控制。它的名字Tokamak來源於環形、真空室、磁、線圈。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。

(7)俄羅斯為什麼不研究托卡馬克擴展閱讀：

歷史發展：

二戰末期，前蘇聯和美、英各國曾出於軍事上的考慮，一直在互相保密的情況下開展對核聚變的研究。幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質裝在什麼容器里一直是困擾人們的難題。二十世紀五十年代初期，前蘇聯科學家提出托卡馬克的概念。

1954年，第一個托卡馬克裝置在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所建成。當人們提出這種磁約束的概念後，磁約束核聚變研究在一些方面的進展順利，氫彈又迅速試驗成功，這曾使不少國家的核科學家一度對受控核聚變抱有過分樂觀的態度。

1990年，中國國家科學院等離子所興建大型超導托卡馬克裝置，得到俄、美、歐盟等機構、專家大力的支持。特別是俄羅斯科學家，世界聚變研究最具權威的俄羅斯國家研究中心卡多姆采夫教授，成為裝置建設的「經常性技術指導」。

1993年HT－7建成，中國成為世界上俄、法、日（法國的Tore－Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U）之後第四個擁有同類大型裝置的國家。中國在裝置相關的超導、低溫製冷、強磁場等研究都登上新的台階。

1993年12月9日和10日，美國在TFTR裝置上使用氘、氚各50%的混合燃料，使溫度達到3億至4億攝氏度，兩次實驗釋放的聚變能分別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，大約為JET輸出功率的2倍和4倍，能量增益因子Q值達0.28。與JET相比，Q值又得到很大提高。

1997年9月22日，聯合歐洲環JET又創造輸出功率為1.29萬千瓦的世界紀錄，能量增益因子Q值達0.60，持續時間2秒。僅過了39天，輸出功率又提高到1.61萬千瓦，Q值達到0.65。

1997年12月，日本方面宣布，在JT－60上成功進行了氘－氘反應實驗，換算到氘－氚反應，Q值可以達到1.00。後來，Q值又超過了1.25。在JT－60U上，還達到了更高的等效能量增益因子，大於1.3,它也是從氘－氘實驗得出的結果外推後算出的。

2000年，HT－7實驗放電時間超過10秒，標志中國在這重大基礎理論研究領域中進入世界先進行列。

2002年1月28日，在中國成都的核工業西南物理研究院與合肥西郊的中國科學院等離體物理研究所，基於超導托卡馬克裝置HT－7的可控熱核聚變研究再獲突破。

實現了放電脈沖長度大於100倍能量約束時間、電子溫度2000萬攝氏度的高約束穩態運行，中心密度大於每立方米1.2×1019，運行參數居世界前兩位。本輪實驗有來自美、日等14個研究機構的18位外籍專家參與。

2006年，中國新一代「人造太陽」實驗裝置（EAST）實現了第一次「點火」——激發等離子態與核聚變。很快，它就實現了最高連續1000秒的運行，這在當時是前所未有的成就。

2012年04月22日，中國新一代「人造太陽」實驗裝置（EAST）中性束注入系統（NBI）完成了氫離子束功率3兆瓦、脈沖寬度500毫秒的高能量離子束引出實驗。本輪實驗獲得的束能量和功率創下中國國內紀錄，並基本達到EAST項目設計目標。