国际热核聚变实验计划 ——七国联手获取“人造太阳”

如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行，上亿度的高温必须能长时间维持（不论靠聚变反应产生的部分能量，或外加部分能量）。或者可以说，等离子体的能量损失率必须比较小。提高磁笼约束等离子体能量的能力，这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除了验证科学可行性外，建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。
　　可控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。这一方法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激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。
磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。
从20世纪40年代末起，各国就开发了多种磁笼途径，并由之出发，对聚变能科学可行性展开了不同规模的理论与实验探索研究。投入科学家及工程师上千人，经费总计每年超过10亿美元。各途径竞争非常激烈，其间纷争不断。在这过程中，人们对实现聚变能难度的认识也逐步加深。但从20世纪70年代开始，前苏联科学家发明的“托克马克”途径逐渐显示出了独特的优点，并在80年代成为聚变能研究的主流途径。托克马克装置又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的“磁笼”。等离子体就被约束在这“磁笼”中，很像一个中空的面包圈，等离子体环中感生一个很大的环电流。
随着各国大小不一的托克马克装置的建成、投入运行和实验，托克马克显示了较为光明的前景；在这类装置上做出的物理实验取得了一个又一个令人鼓舞的进展：等离子体温度已达4.4亿度；脉冲聚变输出功率超过16兆瓦；Q值(表示输出功率与输入功率之比)已超过1.25。所有这些成就都表明：在这类装置上产生聚变能的可行性已被证实。但这些结果都是在数秒时间内以脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行仍有较大的距离，其主要原因在于磁容器的产生是脉冲形式的。科学家们认识到，如果扩大此类装置的规模，有可能获得接近聚变条件的等离子体。
　　可控热核聚变能研究的一次重大突破，就是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，使得这类磁容器磁约束位形的连续稳态运行成为现实。

迈出第一步
　　作为聚变能实验堆，ITER要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的“磁笼”中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。50万千瓦热功率已经相当于一个小型热电站的水平，这将是人类第一次在地球上获得持续的、有大量核聚变反应的高温等离子体，产生接近电站规模的受控聚变能。
　　在ITER上开展的研究工作将揭示这种带有氘氚核聚变反应的高温等离子体的特性，探索它的约束、加热和能量损失机制，等离子体边界的行为以及最佳的控制条件，从而为今后建设商用的核聚变反应堆奠定坚实的科学基础。对ITER装置工程整体及各部件，在50万千瓦聚变功率长时间持续过程中产生的变化及可能出现问题的研究，不仅将验证受控热核聚变能的工程可行性，而且还将对今后如何设计和建造聚变反应堆提供必不可少的信息。
ITER的建设、运行和实验研究是人类发展聚变能的必要一步，有可能直接决定真正聚变示范电站（DEMO）的设计和建设，并进而促进商用聚变电站的更快实现。
ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克。其装置中心是高温氘氚等离子体环，其中存在15兆安的等离子体电流，核聚变反应功率达50万千瓦，每秒释放多达1020个高能中子。等离子体环在屏蔽包层的环型包套中，屏蔽包层将吸收50万千瓦热功率及核聚变反应所产生的所有中子。在包层外是巨大的环形真空室。在下侧有偏滤器与真空室相连，可排出核反应后的废气。真空室穿在16个大型超导环向场线圈（即纵场线圈）中。
　　环向超导磁体将产生5.3特斯拉的环向强磁场，是装置的关键部件之一，价值超过12亿美元。穿过环的中心是一个巨大的超导线圈筒（中心螺管），在环向场线圈外侧还布有六个大型环向超导线圈，即极向场线圈。中心螺管和极向场线圈的作用是产生等离子体电流和控制等离子体位形。上述系统整个被罩于一个大杜瓦中，坐落于底座上，构成实验堆本体。
　　在本体外分布4个10兆瓦的强流粒子加速器，10兆瓦的稳态毫米电磁波系统，20兆瓦的射频波系统及数十种先进的等离子体诊断测量系统。整个体系还包括：大型供电系统、大型氚工厂、大型供水（包括去离子水）系统、大型高真空系统、大型液氮、液氦低温系统等。ITER本体内所有可能的调整和维修都是通过远程控制的机器人或机器手完成。
ITER装置不仅反映了国际聚变能研究的最新成果，而且综合了当今世界各领域的一些顶尖技术，如：大型超导磁体技术，中能高流强加速器技术，连续、大功率毫米波技术，复杂的远程控制技术等等。

我国热核聚变研究
　我国核聚变能研究开始于上世纪60年代初，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。
　　我国核聚变研究从一开始，即便规模很小时，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，集中选择了托克马克为主要研究途径，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（ASIPP）、HL-1（SWIP）、HT-6M（ASIPP）及中型HL-1M（SWIP）。最近SWIP建成的HL-2A经过进一步升级，有可能进入当前国际上正在运行的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。我国科学家在这些常规托克马克装置上开展了一系列十分有意义的研究工作。
　　自1991年，我国开展了超导托克马克发展计划（ASIPP），探索解决托克马克稳态运行问题。1994年建成并运行了世界上同类装置中第二大的HT-7装置，最近初步建成了首个与ITER位形相似（规模小很多）的全超导托克马克EAST。超导托克马克计划无疑为我国参加ITER计划在技术与人才方面作了进一步的准备。
“聚变—裂变混合堆项目”于1987年正式列入我国“863”计划，目的是探索利用核聚变反应的另一类有效途径，其中主要安排了一些与未来核聚变堆有关技术的研发。2000年由于诸多原因，“聚变—裂变混合堆项目”被中止，但核聚变堆概念设计以及堆材料和某些特殊堆技术的研究仍在两个专业院所继续进行。

EAST
EAST是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重要问题：
第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。
第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有在线圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。
此外，EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，目前连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志——冷却塔换成汽轮机是可以发电的。
结合一些相关资料，目前世界这个领域普遍认为EAST将是第一个能长时间稳定运行的，Q值能达到1的托卡马克装置。
就EAST来说，从某种意义上，它就是ITER主反应体大约1/4的一个原型实验装置。自1840年以后，天朝终于也在世界上先进了一把，这就足够值得骄傲了。