閃耀世界的中國“人造太陽”——全超導託卡馬克裝置

9月30日，國際熱核聚變實驗堆組織（ITER）在北京與我國中核集團正式簽訂合同，

中國將負責安裝被譽為“人造太陽”的ITER核聚變裝置的主機部分，為“人造太陽”裝上“中國心臟”。

這意味著中國熱核聚變技術已經走在了世界的前列，我國將在全球新能源研發事業中輸出中國智慧！

說了這麼多，核聚變、託卡馬克是什麼意思？國際熱核聚變實驗堆組織又是幹什麼的呢？下面就讓小編來為大家解答吧~

我們知道，地球上的絕大部分能源都來自太陽（除了地熱能、核能等），而太陽釋放的能量源於其內部不斷髮生的氫核聚變反應。

地球上的氫元素幾乎是取之不盡用之不竭的，那麼我們為什麼不利用

核聚變

的原理，在地球上造一個“小太陽”為我們供能呢？

不要以為這隻會在科幻片裡出現，中國安徽的

EAST託卡馬克裝置

與開頭提到的

ITER核聚變裝置

正是被設計用來實現可控核聚變的，它們能利用太陽發光發熱的原理為我們供能。

“人造太陽”EAST

被譽為“東方神環”的EAST（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak，先進實驗超導託卡馬克）是我國自主研發的世界上首個非圓截面全超導託卡馬克核聚變裝置。

該裝置的各項技術指標都處於世界領先水平，並於2017年創下了

101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體執行

的世界紀錄。

更值得驕傲的是，中國很早就加入了

國際熱核聚變實驗堆

（ITER）計劃，該計劃意在實驗並建造具有實用價值的託卡馬克裝置，以求改變全球能源緊缺的現狀。

中國除了負責ITER專案主機安裝外，還先後承擔了十餘項研發任務，並有多項涉及託卡馬克裝置中最核心的技術，可以說是挑起了國際可控核聚變事業的大梁。

ITER計劃中國承擔的部分

因此，EAST除了為我國的可控核聚變事業積累經驗，它更主要的任務是服務於ITER專案，用於測試未來將應用於ITER核聚變實驗堆的新技術，向世界貢獻中國力量。

雖然包括EAST在內的世界各國的託卡馬克裝置還處於實驗階段，不過一旦這項技術被成功研製，並應用於商業，一定會對能源產業帶來革命性的影響。

核聚變原理

提到託卡馬克，我們首先要了解下什麼是核聚變。

我們身邊的事物大多由原子構成，原子分為

電子和原子核

兩部分。當兩個或多個較輕的原子核碰撞，並融合成一個原子核時，會釋放大量能量。

這是由於反應後生成的新原子核總質量小於反應前各原子核的總質量，虧損的那部分質量不會無端地消失，而是轉化為能量被釋放出來，而且

極少的質量就可以轉化成很大的能量。

核聚變

氫和它的兩個同位素

氘、氚

是自然界中最輕的元素，相對而言更容易相互融合發生核聚變反應。

太陽中發生的正是四個氫原子核融合為氦原子核並釋放能量的反應。不過，只有恆星內部才有足夠的壓強和溫度讓這個反應發生，地球上很難實現。

一個氘原子與一個氚原子結合，也可以發生核聚變反應，並且該反應更容易發生。於是，人們選用氘和氚作為託卡馬克的“燃料”，減小了反應的難度。

不過，讓核聚變反應發生並不難，早在1967年，中國就成功研製了可實用的

氫彈

，其原理正是核聚變。

真正難的是如何把核聚變釋放的能量約束在一個小空間內，讓反應緩慢、持久地發生，而不是如同爆炸般一下子全部釋放出來。

以中國EAST為代表的託卡馬克正是一個

磁約束裝置

，它能透過強磁場把核聚變反應釋放的能量束縛在一個小區域，使其穩定地執行併產出能量。

託卡馬克啟動

託卡馬克工作原理

託卡馬克（Tokamak）是由蘇聯科學家阿齊莫維齊的團隊發明的，

由環形真空室、產生磁場的線圈和其他輔助設施組成。

它拗口的名字來源於四個俄語單詞——環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、線圈（kotushka），恰好體現了它的主要構造。

託卡馬克雖然工藝複雜，但是它的工作原理卻很簡單，分為

微波加熱和磁約束

兩部分。

微波可以增加分子、原子或離子的運動速度，當運動劇烈到一定程度時，不但分子結構會被破壞，原子也會被電離，形成遊離的原子核與電子，這種狀態被稱為

等離子體

。

等離子體可以與磁場發生相互作用，因此我們可以透過調控磁場的強度與分佈，把等離子體約束在一定範圍內。

等離子體被約束在粉色區域

在微波和磁場的共同作用下，氘和氚原子電離形成的等離子體會被限制在一個小區域中，同時溫度不斷上升，其內部遊離原子核和電子的運動速度不斷加快，

原子核間相互碰撞的機率也隨之增大。

在一定密度下，當溫度達到一定數值時（1億攝氏度以上），氘和氚原子核具有較大的碰撞機率，進而相互融合，發生核聚變反應，釋放能量。

不過，要想將前面的設想變成現實，我們需要一臺及其精密的裝置，這個裝置就是以EAST為代表的託卡馬克。

託卡馬克結構

環形的腔體就像一圈“跑道”，為高速運動的等離子體提供空間。

真空是為了保障核反應順利進行。雜質過多時，會出現核反應無法發生、對等離子體約束能力下降等問題。

磁場由線圈產生，這裡的線圈通常指的是

超導線圈

。超導線圈內電阻為零，其內部可產生很大的電流，進而利用電磁感應產生很強的磁場，用來約束環形腔室內部的等離子體。

目前，所有的託卡馬克裝置只能執行很短的一段時間，無法持續發生核反應。如何使反應持續、穩定地發生，成為了全球科學家有待攻克的難關。

碩果累累的EAST團隊

EAST於2000年開始動工建設，並由中科院等離子體研究所承接該專案。

2006年3月，EAST完成建造，同年9月成功獲得初始等離子體，標誌著建造階段的成功。

2008年，EAST內部設施首次完成了全面改造，採用了

主動水冷結構

，並更換了內壁的材料，增強了導熱效能。

EAST實驗室內部

2012年，EAST成功實現了持續400s的低約束模等離子體放電。這意味著，EAST可以穩定執行400s，

首次達到ITER專案的設計執行時間。

2013年，負責EAST專案的中科院等離子體研究所在各國研究機構中脫穎而出，透過國際競標，承接了歐盟大型超導磁體（ITER PF6磁體）建造任務，獲得了向世界展示中國科技力量的機會。

同年，EAST團隊實現了難度更大的

高約束等離子體放電

，並使EAST裝置持續運行了30s。

為了配合ITER專案，同時進一步提高EAST的載熱效能，2014年，我國科研人員把EAST上的偏濾器改造升級為與ITER專案相同的

水冷鎢銅偏濾器

，使其擁有更好的導熱效能和機械強度。

科研人員在進行EAST裝置內部檢查

2017年，EAST專案團隊攻克了困擾全世界科學家的難題，

首次實現了5000萬攝氏度高溫下，持續101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體執行，

打破了世界紀錄。中國成為了世界上第一個擁有該技術的國家。

之後的研發中，EAST團隊相繼取得階段性成就，並在託卡馬克的建設與執行方面積累了寶貴的經驗。

今年，由中科院等離子體研究所自主研發的ITER PF6磁體按計劃交付給了歐盟聚變委員會，保質保量地完成了任務。

同時，等離子體所再次中標ITER託卡馬克主機TAC-1安裝標段工程，並於今年的9月30日在北京正式簽訂合同。

這意味著中國已經掌握了託卡馬克裝置最核心的技術。

PF6線圈

瞭解了這些後，不得不讓人由衷地讚歎我國強大的科技實力！這些卓越的成果，離不開祖國經濟實力的穩步提升，也離不開一線科技工作者的辛勤付出。

隨著我們國家的富強，小編相信未來中國一定會在核聚變領域再創佳績，成為全世界的領跑者！