一个外行人对全超导托卡马克的理解和认识 [复制链接]

年11月6日，周日，看了腾讯科学WE大会（WaytoEvolve）的视频直播。这次WE大会请了7位演讲嘉宾，我断断续续的听了其中两场，中国空间站系统总设计师、中国工程院院士杨宏和“人造太阳”项目负责人、中国工程院院士李建刚的两场演讲。中国科学院等离子体物理研究所原所长李建刚院士关于全超导托卡马克的演讲，给我留下了深刻的印象，讲的很清楚，真正的深入浅出，使我对全超导托卡马克有了深入的了解。

对于未来科学的期待，现代人类首先是关心我们人类自己，包括完全战胜疾病、延长寿命、延缓衰老、增强记忆等，此外就应该是能源了。

当前人类能源主要来自煤炭、石油、天然气等化石能源，当然也有一部分来自核能以及太阳能、水能、风能等可再生能源。目前核能主要来自核裂变，由于核废料的放射性限制了核电站的发展，而未来最有可能真正改变人类能源格局就是核聚变。

年，爱因斯坦提出了著名的质能方程E=mc，揭示了质量可以转化成能量，由于c是光速，数很大，平方之后更大，所以一点点的质量就可以转变为巨大的能量，但这种转变只能在核反应中发生，包括核裂变和核聚变，利用核裂变人类发明了原子弹，年，二战期间，美国成功爆炸了世界上第一颗原子弹。利用核聚变人类发明了氢弹，年5月美国在太平洋上的恩尼威托克岛试验场进行氢弹试验。氢弹是联合国安全理事会五大常任理事国的标配，原子弹非常任理事国可以有，但是氢弹只有五大常任理事国有。

核裂变和核聚变可以产生大量能量，剧烈反应可以用来制造超级大杀器，如果控制好反应速度，就可以为人类提供能源、造福人类。年，美国最先建成世界上第一座实验性核电站。我国的秦山核电站年开工，年商业运行，截至年9月30日，我国运行核电机组共54台(不含台湾地区)，年1-9月，运行核电机组累计发电量占全国累计发电量的4.85%。当然这些核电站都是基于核裂变。

核聚变会产生更多的能量，原材料是重水和锂，所需量与储量相比极小，也不会产生放射性核废料。所以核聚变产生的能源，也许就是我们人类最终极的能源。问题是，如何利用核聚变产生的能源？氢弹爆炸是利用原子弹引爆，就是利用原子弹爆炸时产生的3.5亿度高温启动核聚变，要想稳定利用核聚变，第一个问题就是如何应付这3.5亿度高温，估计地球上没有物质能够承受这么高的温度。人类在研究氢弹的同时，也开始研究如何稳定利用核聚变造福人类，而不仅仅是毁灭人类。

人们理所当然的想到，把发生核聚变的这团火球约束在人造真空中。

这团火球为什么能被约束在人造真空中？因为这团火球物质处于等离子体形式。什么是等离子体？

分子受高温时分裂成原子状态的过程称为离解。在此基础上再进一步提高温度的话（10万摄氏度），就会出现另一种全新的现象，原子的外层电子摆脱原于核的束缚成为自由电子。失去电子的原于变成带正电的离子。这个过程叫电离。电离气体的运动受电磁场的影响非常明显，它是一种导电率很高的导电流体。鉴于在这种聚集态中电子的负电荷总数和离子的正电荷总数在数值上是相等的，宏观呈现电中性。因而也叫它等离子体。等离子体就是电离气体。等离子体号称除了固体、液体、气体之外的物质的第四种形态，在人类生活环境中物质一般不会以等离子体形式存在。但是在宇宙中，99％以上物质都是等离子体形式存在。

所以，正因为发生核聚变的火球处于等离子体状态，可以通过磁场使其悬浮并约束在人造真空中，从而可以维持核聚变稳定发生。实现这个过程的一类装置就叫托卡马克，是英文单词Tokamak的音译，这个单词是环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)四个单词的头两个或一个字母，是年前苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人发明的。

年，英国科学家劳森通过计算得出：要想稳定启动核聚变，等离子体密度、约束时间、温度三个变量的乘积要达到或超过10的21次方，这就是所谓劳森判据。而且输出能量要远远大于能量输入才能维持商业运行，但当时的条件距离10的21次方差老鼻子远，这哥们一看，我靠，在我有生之年是满足不了这个条件了，算了，不干了。他就不干了，但继续干的人更多。

中国研究核聚变起步很早，在50年代就开始了，建在四川乐山的中国核工业西南物理研究院搞出了中国第一个中型托卡马克，称为环流器一号。演讲者李建刚所在的中国科学院等离子体物理研究所先后建成常规磁体托卡马克HT-6B、HT-6M，这两个都是利用常规磁体形成磁场，这个过程需要消耗大量能源？怎么才能降低产生磁场的能源消耗呢？对！超导，将电阻降到最低，能源消耗也就降低了。

年，前苏联有一个利用超导的托卡马克T-7要退役了，时任等离子体物理所长霍裕平院士带领全所节衣缩食，凑了万人民币，买了回来，用三年半的时间把它改成了HT-7，“H”代表合肥，也叫“合肥超环”，是我国第一个圆截面超导托卡马克核聚变实验装置。当时超导要在低温下才能实现，也就是零下度，而核聚变有需要上亿度的高温，要把上亿度的极端高温和零下度的极度低温有机地组合在一起，放在这么一个装置里面，同时还要精准地控制它，你可以想象有多么的难。我们在这上面做了一堆的实验，培养了一批人才，形成了一支队伍，李建刚院士就是从这个装置里边一起干的、一般成长起来的的。

这个“合肥超环HT-7”有点像我们的“辽宁”号航空母舰，T-7就是“瓦良格”号，当然“瓦良格”号根本没有完工、没有服役，而T-7是退役，但是都是在买来之后，自己改造，学会了技术，培养了人才，锻造了队伍。

如果说“合肥超环”像“辽宁”舰，那么等离子体物理所建造的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置“东方超环”（EAST）就像“福建”舰，从超导到全超导，从滑跃起飞到电磁弹射起飞。

“东方超环”俗称“人造小太阳”，EAST是Experimental（实验）Advanced（先进）Superconducting（超导）Tokamak（托卡马克）四个单词首字母的简写，与位于贵州的米口径球面射电望远镜FAST遥相呼应，FAST是Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope的首字母简写。

年，时任等离子所所长万元熙院士向国家提出，一定要率先在中国建造世界上第一个全超导托卡马克，“东方超环”由国家发改委在“九五”期间（-）立项，项目原名“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置”，用了5年半的时间，花了1.65个亿，建成了由中国科技工作者独立设计制造的世界首个全超导托卡马克，整个装置高11.5米，直径是7.9米，于年3月通过国家验收。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，项目的名称在年10月正式由HT-7U改为EAST。EAST同时具有“东方”的含意，所以中文也称为“东方超环”。

东方超环有三个科学目标：首先电流要非常大，达到1兆安，这是大装置的标志，第二个是上亿度，第三个是秒。我们花了15年的时间，终于实现了这三大目标。这被认为“是世界聚变工程的非凡业绩，是世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑”。年12月30日晚，东方超环实现秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

科学研究离不开国家合作。

年，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、苏、欧、日共同启动“国际热核聚变实验堆”计划，即ITER计划，是InternationalThermonuclearExperimentalReactor首字母简写。年开始设计，年完成工程设计。年5月，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等七个成员共同草签ITER联合实施协定，开始工程建设。年7月28日，ITER计划重大工程安装启动仪式在法国举行。

ITER是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划，我们从中学习到了很多东西，也做出了很大贡献，但是ITER的进度太慢了，其他国家老是在扯后腿。为了尽快将核聚变研究推向实用化、真正作为能源，聚变堆主机关键系统综合研究设施（ComprehensiveResearchFacilityforFusionTechnology，简称CRAFT）在十三五期间立项，年9月开工建设，计划于年完工。

中国未来的能源希望也许在这儿。我们在有生之年，也许能用上核聚变发的电，这是一个美好的愿望，希望能够实现。