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郭致星:中国的超级项目—“人造太阳” （可控核聚变装置）（郭致星）

项目管理

2016-01-20 53166

中国的超级项目—“人造太阳” （可控核聚变装置）

工程总投资：—不详

工程期限：1958年——2050年

位于四川省成都市双流县白家镇，核工业西南物理研究院聚变研究试验基地的“中国环流器2号A装置”

　　2006年9月28日，中国耗时6年、耗资3亿元人民币自主设计制造的新一代托卡马克磁约束核聚变装置“EAST”首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电；使EAST成为世界上第一个建成并真正运行的“全超导非圆截面托卡马克”核聚变实验装置。这是中国可控核聚变研究的里程碑式突破。

在古希腊神话中，普罗米修斯从太阳神阿波罗处盗下的天火，照亮了人类的黑夜。在人类现代科技中，可控核聚变技术将照亮人类能源的未来之路，由于可控核聚变反应堆产生能量的方式和太阳类似，因此它也被俗称为“人造太阳”。

太阳是热核聚变反应的典型代表，1938年，美国科学家贝特(H.Bethe)和德国科学家魏茨泽克(C.F.v.Weizsacker)推测太阳能源可能来自它的内部氢核聚变成氦核的热核反应，这甚至早于核裂变模型的提出。太阳的核心温度高达1500万摄氏度，表面有6000度，压力相当于2500亿个大气压。核心区的气体被极度压缩至水密度的150倍。在这里每时每刻都发生着热核聚变，太阳每秒钟把七亿吨的氢变为氦，在这过程中失去400多万吨的质量，这种聚变反应已经持续了几十亿年，它的辐射能量给地球带来无限生机。

世界能源危机

自人类进入工业化以来，世界能源消耗迅速增长。有数据显示，自1973年以来，人类已经开采了5500亿桶石油（约合800亿吨），按照现在的开采速度，地球上已探明的1770亿吨石油储量仅够开采50年，已探明的173万亿立方米天然气仅够开采63年；已探明的9827亿吨煤炭还可以用300年到400年。核电站发电需要浓缩铀，世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨，全球441座核电站目每年需要消耗6万多吨浓缩铀，地球上的铀储量仅够使用100年左右。世界各国水能开发也已近饱和，而风能、太阳能尚无法满足人类庞大的需求。

随着石油价格上涨，能源危机再次被提起，各国也加快了新能源研发，核聚变能就是重点之一。与传统的裂变式核电站相比，核聚变发电具有明显的优势。核聚变所用的重要核燃料是氘，理论上，只需1千克氘和10千克锂(通过锂可得到氘)就可以保证一座百万千瓦聚变核电站运转一天，而传统核电站和火力发电站至少需要100千克铀或1万吨煤。制取1千克浓缩铀的费用是1.2万美元,而制取1千克氘的费用只有300美元。一座100万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304千克；而一座百万千瓦裂变式核电站，需要30-40吨核燃料。

氘的发热量相当于同等煤的2000万倍，是海水中大量存在的元素。据测算，海水中大约每600个氢原子中就有一个氘原子，每1公升海水中含有0.03克的氘，通过核聚变反应产生的能量，相当于燃烧300公升的汽油。就是说，“1升海水约等于300升汽油”。地球上的海水总量约为138亿亿立方米，其中氘的储量约40万亿吨，足够人类使用百亿年。锂是核聚变实现纯氘反应的过渡性辅助“燃料”，地球上的锂储量有2000多亿吨，海水中的氘再加上锂至少够我们地球用上千亿年。氚虽然在自然界比氘少得多，但可从核反应中制取，也可用于热核反应。科学家们正在以海水中的氘为主要原料，进行核聚变反应试验，以期建立可以投入商业运营的热核聚变反应堆，彻底解决人类未来的能源问题。

　　更为可贵的是核聚变反应是清洁能源，中几乎不存在放射性污染，核裂变的原料本身带有放射性，而核聚变反应过程中，在任何时刻都只有一丁点的氘在聚变，无需担忧失控的危险，而且也不会产生放射性的物质。即使像切尔诺贝利核电站那样发生损坏，核聚变反应堆也会自动立即中止反应，因此受控核聚变产生的能量名符其实是一种无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源。在这一系列的动力下，核聚变的研究已经持续了半个多世纪。

核聚变发电原理

核聚变反应堆的原理很简单，只不过对于人类当前的技术水准，实现起来具有相当大的难度。

物质由分子构成，分子由原子构成，原子中的原子核又由质子和中子构成，原子核外包覆与质子数量相等的电子。质子带正电，中子不带电。电子受原子核中正电的吸引，在"轨道"上围绕原子核旋转。不同元素的电子、质子数量也不同，如氢和氢同位素只有1个质子和1个电子，铀是天然元素中最重的原子，有92个质子和92个电子。

核聚变是指由质量轻的原子（主要是指氢的同位素氘和氚）在超高温条件下，发生原子核互相聚合作用，生成较重的原子核（氦），并释放出巨大的能量。1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。其实，利用轻核聚变原理，人类早已实现了氘氚核聚变———氢弹爆炸，但氢弹是不可控制的爆炸性核聚变，瞬间能量释放只能给人类带来灾难。如果能让核聚变反应按照人们的需要，长期持续释放，才能使核聚变发电，实现核聚变能的和平利用。

如果要实现核聚变发电，那么在核聚变反应堆中，第一步需要将作为反应体的氘-氚混合气体加热到等离子态，也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，让原子核能自由运动，这时才可能使裸露的原子核发生直接接触，这就需要达到大约10万摄氏度的高温。

第二步，由于所有原子核都带正电，按照“同性相斥”原理，两个原子核要聚到一起，必须克服强大的静电斥力。两个原子核之间靠得越近，静电产生的斥力就越大，只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。

质量轻的原子核间静电斥力最小，也最容易发生聚变反应，所以核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚。氢是宇宙中最轻的元素，在自然界中存在的同位素有: 氕、氘 (重氢)、氚 (超重氢)。在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变最容易，氘和氘之间的聚变就困难些，氕和氕之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时，先考虑氘、氚之间的聚变，后考虑氘、氘之间的聚变。重核元素如铁原子也能发生聚变反应，释放的能量也更多；但是以人类目前的科技水平，尚不足满足其聚变条件。

为了克服带正电子原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，要使原子核达到这种运行状态，就需要继续加温，直至上亿摄氏度，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，温度越高，原子核运动越快。以至于它们没有时间相互躲避。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。

反应堆经过一段时间运行，内部反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要将氦原子核和中子及时排除出反应堆，并及时将新的氚和氘的混合气输入到反应堆内，核聚变就能持续下去；核聚变产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，剩余大部分的能量可以通过热交换装置输出到反应堆外，驱动汽轮机发电。这就和传统核电站类似了。

核聚变消耗的燃料是世界上十分常见的元素——氘（也就是重氢）。氘在海水中的含量还是比较高的，只需要通过精馏法取得重水，然后再电解重水就能得到氘。新的问题出现了，仅仅有氘还是不够的，尽管氘-氘反应也是氢核聚变的主要形式，但我们人类现有条件下，根本无法控制氘-氘反应，它太猛烈了，所需要的温度要高得多，除了在实验室条件下做一次性的实验外，很难让它链式反应下去——那是氢弹一样的威力。还好，人们发现了氘-氚反应的烈度要小很多，它的反应速度仅仅是氘-氘反应的100分之一，而点火温度反倒低得多，很适合人类现有条件下的利用。

而氚不同于氘，氚是地球上最稀有的元素，由于氚的半衰期只有12.26年，所以在地球诞生之初的氚早已衰变地无影无踪了。现在人类的氚都是人工制造而非天然提取的，人们通常用重水反应堆在发电之余人工制造少量的氚—— 它是地球上最贵的东西之一，一克氚价值超过30万美元，仅在美国保存有30公斤左右的氚。这么贵的原料，用作核聚变发电显然是无法接受的，幸好上帝给人类又提供了一种好东西——锂。锂元素也是世界上最丰富的资源，有2000多亿吨。一方面海水中就包含足够的氯化锂，分离出来即可。另一方面，中国是世界锂资源最丰富的国家，碳酸锂矿也不是稀有资源，更容易获得。锂的2种同位素——锂-6和锂-7，在被中子轰击之后，就会裂变，他们的产物都是氚和氦，目前为止人类在重水反应堆中制造氚，用的就是将锂靶件植入反应堆的方法。

在聚变反应堆内，氚和氘反应后，除了形成一个氦原子核之外，还有一个多余的中子，并且能量很高。我们只需要在核聚变的反应体之内保持一定比例的锂原子核浓度，那么核聚变产生的中子就会轰击锂核，促使锂核裂变，产生一个新的氚，这个氚则继续参与氚-氘反应，继而产生新的中子，链式反应形成了。所以，理论上我们只需要给反应体提供两种原料——氘和锂，就能实现氘-氚反应，并且维持它的进行。

看起来很简单是吧，只是还有一个问题，能够承载上亿摄氏度超高温反应体的核反应堆用什么材料来制造呢？要知道，太阳表面的温度也才只有6000万度左右。迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度高温的材料，更不要说上亿摄氏度了。以上这些因素就是为什么一槌子买卖的氢弹已经爆炸了50年后，人类还是没能有效地从核聚变中获取能量的重要原因。

托卡马克装置

为了解决核聚变反应堆的制造问题。早在60年前，科学家们提出了两种约束高温反应体进行核聚变的理论，一种是激光惯性约束。这一方法是把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入高能激光束或粒子束，球囊内的氘-氚反应气体受力向内挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到核反应需要的温度时，球内气体发生核聚变反应，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟持续不断地发生三四次，释放出的热量传导出来就能发电，功率可达到百万千瓦以上。这一理论的奠基人之一是我国著名科学家王淦昌院士。

另一种就是磁力约束，如核聚变反应的高温条件下，等离子体微粒的运行难以捉摸。而实现可控制的核聚变，就必须约束这些“乱跑”的等离子体。那么，怎样在高温下约束等离子体的运行？

　　20世纪40年代末，苏联科学家伊戈尔·塔姆和安德烈·萨哈罗夫（苏联氢弹之父）提出了“磁约束”概念，即通过强大的磁场形成一个封闭的环绕型磁力线，让等离子体沿磁力线运行。等离子体具有的一个性质是，磁场不可穿过其内部，只可以沿着等离子体的边沿绕行，这样就可以使用磁场将等离子体约束起来，利用运动电荷在磁场中作圆周运动的规律，使核聚变物质与容器隔离。

磁笼线圈通电后会产生巨大磁场，将等离子体揽在环形真空室内做高速螺旋运动，就好像链球运动员一样，虽然球在围着身体高速旋转，控制球的绳子却一直抓在手里，它可以把炙热的等离子体托举在空中。根据这一原理，苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇不断进行研究和改进，于1954年制造了世界第一个“环形磁约束容器”装置，他们将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克(tokamak)。它的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)，中文大意是环形磁笼真空放电器，也有个很贴切但是没有推广的中文名 “环流器”。

从50年代开始聚变研究以来，世界各国发展了很多类型的磁约束聚变装置，有箍缩、仿星器、多极场、托卡马克等形式，但参数都很低。直到1968年8月，在苏联召开国际受控核聚变研讨会上，阿齐莫维齐宣布苏联在T-3托卡马克装置上实现了1000万度的等离子体放电，并实现能量输出，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克(Ormark)，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的TFR Tokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥(Cleo)，西德马克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak等。除“仿星器”外，其他装置逐步退出科研的平台。利用托卡马克装置进行的磁约束核聚变研究和利用高能激光进行的惯性约束核聚变研究，成为世界可控核聚变研究的两种主要途径。

半个世纪以来，在30多个国家建造的大大小小上百个实验装置上，每一次放电时间的延长，人们都为之兴奋；每一次温度的提高，人们都为之欢呼；因为这看似小小的进步，都意味着我们离聚变能的应用更近了一步。为了达到聚变所要求的条件，托卡马克已经变为一个高度复杂的装置，十八般武艺全用上了，其中有超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境，对工艺和材料也提出了极高的要求，从堆芯上亿度的高温到线圈中零下269度的低温，就可见一斑。由于难度过高，世界各国不得不携手合作，因此可控核聚变已经成为世界最开放的高技术合作领域。

中国早期可控核聚变研究

我国核聚变能研究开始于上世纪50年代末，尽管经历了长时间非常困难的环境，但始终能坚持稳定、逐步的发展，建成了两个在发展中国家最大的、理工结合的大型现代化专业研究所，即中国核工业集团公司所属的西南物理研究院（SWIP）及中国科学院所属的合肥等离子体物理研究所（ASIPP）。为了培养专业人才，还在中国科技大学、大连理工大学、华中理工大学、清华大学等高等院校中建立了核聚变及等离子体物理专业或研究室。

我国核聚变研究起步时，就以在我国实现受控热核聚变能为主要目标。从上世纪70年代开始，集中选择了托卡马克装置为主要研究途径，先后建成并运行了小型CT-6（中科院物理所）、KT-5（中国科技大学）、HT-6B（合肥等离子所）、HL-1（西南物理研究院）、HT-6M（合肥等离子所）及中型HL-1M（西南物理研究院）等几十装置。2002年，西南物理研究院建成的环流器2号A装置（HL-2A），进入世界少数几个中型托克马克之列。在这些装置的成功研制过程中，组建并锻炼了一批聚变工程队伍，开展了一系列十分有意义的研究工作。

中国原子能科学研究院创建于1950年，是新中国第一个核科研机构，吴有训、钱三强、赵忠尧、王淦昌、彭桓武、于敏、邓稼先等中国核科技事业的先驱者们，在这里艰苦拓荒，为中国核科技事业的发展打下了初步的基础，1958年，该所建成我国第一座实验性重水反应堆和回旋加速器，现有工作人员3000余人。1958年，中国科学院原子能研究所二部(现原子能科学研究院)开始磁约束聚变的研究。1964年12月,王淦昌独立提出激光驱动核聚变的建议。在他倡导下,我国激光惯性约束核聚变研究开始起步。在他直接领导下，先后开展强流电子束惯性约束核聚变和氟化氪激光惯性约束核聚变的基础性研究工作。1966年“文革”以前，二机部和中科院的领导协商，确定科学院也开展受控核聚变的研究工作，由二机部主攻磁镜，中科院开展箍缩类装置研究。

北京中关村科技园区创始人——陈春先（右），中国最早的核聚变研究专家和他领衔研制的CT-6装置。

中国第一台托卡马克装置（CT-6）

中国科学院物理研究所前身是成立于1928年的中央研究院物理研究所和成立于1929年的北平研究院物理研究所。1950年在两所合并的基础上成立了中国科学院应用物理研究所，1958年更名为物理研究所。至今，已有50余位院士先后在物理所工作过，包括吴有训、赵忠尧、严济慈、吴健雄、钱三强等著名科学家。从1972年起，中科院物理所研究员陈春先和中科院电工研究所严陆光等人组成课题组，开始研制我国第一台铁芯变压器托卡马克装置——北京托卡马克6号（CT-6），并于1974年正式建成，引起国际物理学界的高度重视。该装置于1974年开始运行，1975年得到平衡稳定等离子体环。其参数为大环半径R＝45厘米；小半径a＝10厘米；环向磁场B＝1.3KG；等离子体电流Ip≤35安培。利用该装置，进行了平衡不稳定边界的观测以及微波预电离、清洗放电等实验工作。北京托卡马克6号的研制成功不仅是我国当年最好的科技成果，也打破西方发达国家对核聚变的垄断。该成果获1978年全国科技大会一等奖。1978年CT-6装置升级为CT-6B，后于2000年关闭。

核工业西南物理研究院

核工业西南物理研究院建于1965年,隶属中国核工业集团公司,是我国最早从事核聚变能源开发的专业研究院。1965年8月，因中苏关系日趋紧张，国务院国防工业办公室和二机部（核工业部）共同决定：将1958年建于东北黑龙江的原子核物理研究所（503所），迁移至四川乐山市郊肖坝的大山里重建。为战备需要，他们在建设过程中，先将整座大山挖开，在洞里建造‘工号’，最后再用土掩埋起来，让实验室和山连为一体。这样，侦察机从上至下看，便是一座山。而对于楼房，则在楼顶加水做成水池，让敌机俯瞰误以为是稻田。对外他们则自称是“化工机械厂”。为了让研究所更隐蔽，要求公路不能超过8米宽，否则很容易被敌国卫星、飞机侦察出此地有大型研究机构。即便是当地市长都不知道他们是做什么的。直到1977年，中央批准可以有限制对外开放后，当地政府才第一次知道这座“化工机械厂”原来是研究核聚变的专门机构。

核聚变研究包括激光惯性约束核聚变和托卡马克装置两条道路。1954年，世界第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。1968年，前苏联库尔恰托夫原子能研究所的科学家在T3托卡马克装置上取得新突破，在1000万度高温以上获得稳定环形高温等离子体，在全球核聚变界引起轰动，西方各国纷纷建造托卡马克，70年代中期之后，各国建造大型托卡马克装置(JET , JT60, TFTR)的项目纷纷上马。

1968年，核工业西南物理研究院老院长邢洪业在北京一个外语书店里看到关于俄罗斯专家运行托卡马克的实验装置，深受鼓舞。他第一个提出，我国应该走托卡马克实验装置路径进行核聚变研究。当时很多人反对，也有人赞同。邢洪业顶住压力，在我国12年规划后面写了一个‘7年跃进’规划的附件，建议采用托卡马克实验装置。”经过40多年的发展，该所共建成了22个受控核聚变等离子体实验研究装置，开展了一系列物理实验。九十年代后，核工业西南物理研究院又在成都市近郊双流县白家镇新建了聚变研究实验基地，中国环流器二号A装置就建在此地。

中国环流器一号（HL-1）

1984年9月21日，核工业部西南物理研究所设计建造的受控热核聚变研究实验装置——中国环流器一号（HL-1），在四川省乐山市郊顺利启动并通过验收。西南物理研究院在环流器一号( HL-1）之前已经建造很多小尺寸的装置，环流器一号是中国第一个中型“托卡马克”装置，大环半径1.02米，由干式长脉冲变压器、环向磁场线圈、内外垂直磁场线圈、内外真空室、超高真空机组和高真空机组，以及主机支架及其驱动机构等六大部件。这套装置顺利启动后，产生了等离子体，取得了预期的调数据。环流器一号的研制成功，标志着中国在受控热核聚变科研领域的装置建造和实验手段有了新发展，为今后的物理试验研究打下了良好的基础。

1994年10月，在中国环流器一号装置的基础上，该所建成了中国环流器新一号装置（HL-1M），中国环流器一号经过重新改建，各项参数均有重大提高。真空室结构由原来的双层改成了单层厚壁真空室；在无导体壳的情况下，采用了先进的托卡马克等离子体平衡反馈手段；诊断实验窗口由原来的23个增加到54个，增强了装置的可近性，为进行深入物理实验、辅助加热及电流驱动试验奠定了基础。在实验中取得了等离子体电流315千安，等离子体放电持续时间4秒的实验参数，不仅创造了国内核聚变装置物理实验的最高纪录，而且达到了国际上同类型、同规模装置的先进水平，已取得400多项研究成果。

中国环流器二号A装置（HL-2A)

在中国环流器一号研究取得重大进展的同时，核工业西南物理研究院开始着手我国第一个带有偏滤器的大型托卡马克装置——中国环流器二号A装置的立项工作。就在此时，我国一位核聚变界知名专家得知，德国有意将1990年8月停止使用的轴对称偏滤器实验装置（ASDEX），转让给有研究实力的国家。而该装置与中国环流器二号A装置的磁体和真空室的尺寸相当，可以加以利用改造。将科研装置转让给有需求的国家继续使用，是国际上许多国家普遍开展的国际科技合作的重要内容，它的优点是可以节省研究经费，加快研究速度，缩短周期，推动更多的国家开展研究。

核工业西南物理研究院与德国方面进行了多次洽谈，谈判的核心是中国有没有能力让这套装置在中国发挥作用。最终，中国的实力取得了德方的信任，战胜了其它竞争对手，我国最后一个提出申请，却一举赢得了胜利。1995年7月，中德双方达成协议，德方将ASDEX装置主机部件赠送给核工业西南物理研究院。

1995年8月，核工业西南物理研究院的技术小分队来到德国慕尼黑郊区小镇——伽兴，经过几个月的努力，这台由上万个结构复杂、装配坚固的部件组成的ASDEX装置主机一件件拆卸分解开，又有条不紊地将这台原本高约10米、重约500吨的大型设备装箱运送回国内。1999年4月，中国环流器二号A装置工程正式开工，其间攻克了安装工作中的众多问题，仅用了两年的时间就高质量地完成了中国环流器二号A主机装置安装工作。

中国环流器二号A装置的中央控制系统制，包括反馈系统、装置控制系统和数据获取系统，它必须满足先进性、安全性、共享性、灵活性、自动化程度高等多方面的高技术要求。为此，科研人员运用高速、高精度的控制软件，实现了对等离子体电流、位移、等离子体截面、MHD扰动、密度等的精确控制，保证了中国环流器二号A装置放电的等离子体参数的精确性。环流器二号A装置上进行偏滤器位形放电，需要从多方面满足其特殊的高技术要求。磁场电源系统方面其总计脉冲容量需要达到近30万千伏，电源几乎全是高压强电源，输出电流应达到45千安。为此，核西物院成功地设计研制出了能够约束、加热、平衡等离子体以及进行等离子体位移控制的八套不同作用和特点的磁场电源。

核工业西南物理研究院还用一年多的时间，建成了当今我国最大单机装机容量脉冲发电机组，并成功实现三套脉冲发电机组异步再加速，同步运行，同时为装置供电；研制了三套脉冲发电机计算机自动化控制保护与监测系统；研制了以微机及单片机为核心的两套80兆伏安发电机组的励磁快速数字控制系统；对大型高速脉冲发电机组进行了现场轴系精细动平衡测试调整。为进一步提高供电能力，该室正在进行两台80兆伏安发电机组的双馈超同步变频调速。采用了最先进的数控技术，提高了供电系统的可靠性与灵活性。

2002年12月，中国环流器2号A装置，在成都核工业西南物理研究院建成并投入运行。2007年5月，核工业西南物理研究院的核聚变装置——中国环流器二号A在进行加热实验中，成功使其等离子体温度达到5500万℃，等离子体电流达到433千安，朝向上亿℃的核聚变点火温度又前进了一步。