7月2日消息，历经20年，国际热 核聚变 实验堆 计划（ITER）的巨型环形磁铁终于完成设计和交付。根据ITER官方发布的消息，19个巨型线圈都已运抵法国南部，为这个巨型核聚变项目的首次等离子体实验铺平了道路。
ITER是一个由35个国家合作建造的 托卡马克 项目，旨在测试核聚变作为能源的可行性。托卡马克是一个甜甜圈形状的容器，内部会产生巨大的螺旋型 磁场 ，通过聚变反应燃烧等离子体来产生能量。
核聚变是指两个或两个以上轻原子的 原子核 结合形成一个新的原子核的反应，在这个过程中释放出大量能量。这与核裂变不同，后者通过分裂重原子核释放能量并产生放射性废物。核聚变自然发生在恒星内部，为恒星提供能量，但在地球上却无法自然发生。然而，物理学家和工程师可以在实验室中使用托卡马克装置或激光实现核聚变。虽然听起来很简单，但真正的难点在于如何实现核聚变反应，使其产生的能量超过引发反应所需的能量，理论上这将能够提供无限的能源。
托卡马克通过磁铁来控制和约束等离子体。ITER的环形磁场线圈将被冷却到零下269摄氏度，使其成为超导体。这些17米高的线圈将围绕在装有等离子体的甜甜圈形状真空容器周围，使ITER科学家能够控制真空容器内的聚变反应。
ITER实验堆将比其他任何托卡马克装置都要大，其中央螺线管磁铁由6个110吨重的磁铁模块组成。整个托卡马克装置的重量将达到惊人的23000吨，磁体产生的磁场将比地球磁场强30万倍。等离子体将被加热到1.5亿摄氏度，是太阳核心温度的10倍。根据上个月在第34届ITER理事会上提出的新基准，ITER预计将于明年启动首次等离子体实验，第一次聚变反应计划在2035年进行。更新后的具体时间表将在本周三的新闻发布会上公布。
ITER项目由前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国前总统里根于1985年首次提出，但项目直到2005年才最终确定。近20年后，托卡马克装置仍未投入实验。据报道，ITER的成本自启动以来已经增长了四倍，最近估计项目耗资超过220亿美元。技术缺陷和新冠疫情都导致了项目的延迟。
人们老生常谈的是，核聚变能成为能源永远是50年之后的事情。它似乎总是超越了当前的技术，人们总是被告知“这次会不一样”。ITER项目的目的是验证核聚变能源的技术可行性，但重点并不在于经济可行性。对于人类来说，经济可行性是另一个棘手问题。核聚变发电不仅要成为一种技术上可行的能源，还要成为能并入电网的能源。
核聚变被视为能源物理学的圣杯，是结束人类对化石燃料依赖的一种方式。但它不会很快到来，不足以解决当前日益恶化的气候危机。换句话说，即使ITER项目在工程方面取得了重大突破，也只是解决了问题的一部分。正如美国国家点火装置在2022年在技术上实现反应产生的能量大于促使反应发生的能量那样，人类离实现聚变能源越来越近了，但还有很长的路要走。（辰辰）
人造太阳是什么？
50多年来的热核聚变研究一直围绕著一个主题，就是要实现可控的核聚变反应，造出一个人造太阳，一劳永逸地解决人类的能源之需。 地球上的化石燃料已经所剩无几，人类如何找到理想的替代能源？50多年来的热核聚变研究一直围绕著一个主题，那就是要实现可控的核聚变反应，造出一个人造太阳，一劳永逸地解决人类发展的能源之需。 国际热核聚变试验堆的即将启动为人类实现这个梦想带来了曙光。 再用50年，人们能看到人造太阳吗？ 万物生长靠太阳，人类生存自然也离不开太阳。 我们生火煮饭的柴草来自太阳，水力发电来自太阳，汽车裏燃烧的汽油来自太阳……实际上，迄今为止，除了核能以外，我们使用的所有能源几乎都来自太阳。 太阳像所有的恒星一样进行著简单的热核聚变，向外无休止地辐射著能量。 我们现今所使用的能源，有些直接来自太阳，有些是太阳能转化的能源，像水能、风能、生物能，有些是早期由太阳能转化来的一直储存在地球上的能源，像煤炭、石油这样的化石燃料。 人类社会发展到今天，仅靠太阳给予的可用能源已经不够用了。 人类能源消耗快速增加，水能的开发几近到达极限，风能、太阳能无法形成规模。 我们今天使用的主要能源是化石燃料，再有100多年即将用尽。 人们还抱怨化石燃料对大气造成了污染，增加了温室气体。 要知道它们是太阳和地球用了上亿年才形成的，但只够人类使用三四百年，而且它们是不可再生的。 另外，煤炭、石油等是人类重要的自然资源，作为燃料烧掉是非常可惜的。 人们无不担心，煤和石油烧完了，而其他能源又接替不上该怎么办？能源危机开始困扰著人类，人们一直在寻找各种可能的未来能源，以维持人类社会的持续发展。 造一个太阳 细心的人会发现，在元素周期表中，虽然元素是由质子和中子成对增加依次构成的，但是原子的重量却不是按质子和中子的增加而等量增加的。 在较轻的原子中，质子和中子的重量偏重，如果两个轻的原子合成一个重原子，两个轻原子的原子量之和往往重於合成的重原子。 同样，在较重的原子中，质子和中子的重量也偏重，一个重原子分裂为两个轻原子，重原子的原子量一般重於两个轻原子之和。 只是在铁元素附近的原子中，质子和中子的重量偏轻。 由此可见，在原子核反应中，质量是不守恒的，即出现了所谓的质量亏损。 这些质量到哪里去了呢？按照爱因斯坦的质能关系公式E=mc2，亏损的质量转换为能量，由於c2是个巨大的系数，很小的质量就可释放出巨大的能量。 科学家正是基於这一点，利用重金属的核裂变制造出了原子弹，利用轻元素的核聚变制造出了氢弹。 原子弹和氢弹的巨大威力令人惧怕，同时也让人们兴奋，因为原子中蕴藏的能量太大了，能否利用这种能源是人们自然想到的问题。 原子弹和氢弹中的巨大能量是在瞬间释放出来的，而要作为常规能源使用，就必须实现可控制的核裂变和核聚变。 对於核裂变来说，控制起来相对比较容易，裂变核电站早已经实现商业运行。 但能用来产生核裂变的铀235等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生长寿命的放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。 对人们来说，最具诱惑力的自然是核聚变，它的单位质量产生的能量比核裂变还要大几倍。 实际上，宇宙中最常见的就是氢元素的聚变反应，所有的恒星几乎都在燃烧著氢，因为氢是宇宙中最丰富的元素。 氢的聚变反映在太阳上（还有少量其他核聚变）已经持续了近50亿年，至少还可以再燃烧50亿年。 氢在地球上也是非常丰富的，每个水分子中都有2个氢原子，但最容易实现的聚变反应是氢的同位素—氘与氚的聚变（氢弹就是这种形式的聚变）。 氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。 就氘来说，它是海水中重水（水分子为H2O，重水为D2O，只占海水中的一小部分）的组成元素，海水中大约每6500个氢原子中有1个氘原子。 每升水约含30毫克氘（产生的聚变能量相当於300升汽油），其储量就多达40万亿吨。 一座1000兆瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304公斤，海水中的氘足够人类使用上百亿年，这就比太阳的寿命还要长了，更不要说再使用氢了。 另外，除氚具有放射性危险之外，氘-氚聚变反应不产生长寿命的强放射性核废料，其少量放射性废料也很快失去放射性。 氘-氘反应没有任何放射性。 可以说氢及其同位素的聚变反应是一种高效清洁的能源，而且真正是用之不绝。 既然恒星上都在进行著这样的核聚变，地球上也不缺这种核聚变的原料，只要实现可控的核聚变，就可以造出一个供人们永久使用的“太阳”。 实际上，自从人们揭开太阳燃烧的秘密以来，就一直希望模仿太阳在地球上实现核聚变从而为人类提供无尽的能源。 尽管50多年过去了，人们只见到了氢弹的爆炸，而没有看到一座核聚变发电站的出现，但它诱人的前景依然是人们心中一个割舍不去的梦。 比想像的要难 在太阳上由於引力巨大，氢的聚变可以自然地发生，但在地球上的自然条件下却无法实现自发的持续核聚变。 在氢弹中，爆发是在瞬间发生并完成的，可以用一个原子弹提供高温和高压，引发核聚变，但在反应堆裏，不宜采用这种方式，否则反应会难以控制。 根据核聚变发生的机理，要实现可控制的核聚变实际上比造个太阳要难多了。 我们知道，所有原子核都带正电，两个原子核要聚到一起，必须克服静电斥力。 两个核之间靠得越近，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。 要使它们联起手来并不难，难的是既要让它们有拉手的机会又不能让他们过於频繁地拉手。 要使它们有机会拉手，就要使粒子间有足够的高速碰撞的机会，这可以增加原子核的密度和运动速度。 但增加原子核的密度是有限制的，否则一旦反应加速，自身放出的能量会使反应瞬间爆发。 据计算，在维持一定的密度下，粒子的温度要达到1～2亿度才行，这要比太阳上的温度（中心温度1500万度，表面也有6000度）还要高许多。 但这样高的温度拿什么容器来装它们呢？ 这个问题并没有难倒科学家，20世纪50年代初，苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念。 苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇按照这样的思路，不断进行研究和改进，於1954年建成了第一个磁约束装置。 他将这一形如面包圈的环形容器命名为托卡马克（tokamak）。 托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写，又称环流器。 这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离了的等离子体。 我们知道，一般物质到达10万度时，原子中的电子就脱离了原子核的束缚，形成等离子体。 等离子体是由带正电的原子核和带负电的电子组成的气体，整体是电中性的。 在磁场中，它们的每个粒子都是显电性的，带电粒子会沿磁力线做螺旋式运动，所以等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中。 这种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼，看不见，摸不著，也不接触有形的物体，因而也就不怕什么高温了，它可以把炙热的等离子体托举在空中。 人们本来设想，有了“面包炉”，只需把氘、氚放入炉内加火烤制，把握好火候，能量就应该流出来。 其实不然，人们接著遇到的麻烦是，在加热等离子体的过程中能量耗散严重，温度越高，耗散越大。 一方面，高温下粒子的碰撞使等离子体的粒子会一步一步地横越磁力线，携带能量逃逸；另一方面，高温下的电磁辐射也要带走能量。 这样，要想把氘、氚等离子体加热到所需的温度，不是件容易的事。 另外，磁场和等离子体之间的边界会逐渐模糊，等离子体会从磁笼裏钻出去，而且当约束等离子体的磁场一旦出现变形，就会变得极不稳定，造成磁笼断开或等离子体碰到聚变反应室的内壁上。 步步逼近 托卡马克中等离子体的束缚是靠纵场（环向场）线圈，产生环向磁场，约束等离子体，极向场控制等离子体的位置和形状，中心螺管也产生垂直场，形成环向高电压，激发等离子体，同时加热等离子体，也起到控制等离子体的作用。 几十年来，人们一直在研究和改进磁场的形态和性质，以达到长时间的等离子体的稳定约束；还要解决等离子体的加热方法和手段，以达到聚变所要求的温度；在此基础上，还要解决维持运转所耗费的能量大於输出能量的问题。 每一次等离子体放电时间的延长，人们都为之兴奋；每一次温度的提高，人们都为之欢呼；每一次输出能量的提高，都意味著我们离聚变能的应用更近了一步。 尽管取得了很大进步，但障碍还是没有克服。 到目前为止，托卡马克装置都是脉冲式的，等离子体约束时间很短，大多以毫秒计算，个别可达到分钟级，还没有一台托卡马克装置实现长时间的稳态运行，而且在能量输出上也没有做到不赔本运转。 为了维持强大的约束磁场，电流的强度非常大，时间长了，线圈就要发热。 从这个角度来说，常规托卡马克装置不可能长时间运转。 为了解决这个问题，人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中，也许这是解决托卡马克稳态运转的有效手段之一。 目前，法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导的托卡马克装置在运行，它们都只有纵向场线圈采用超导技术，属於部分超导。 其中法国的超导托卡马克Tore-Supra体积较大，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120秒的条件下，等离子体温度为2000万度，中心粒子密度每立方米1.5×1019个。 中国和韩国正在建造全超导的托卡马克装置，目标是实现托卡马克更长时间的稳态运行。 50年来，全世界共建造了上百个托卡马克装置，在改善磁场约束和等离子体加热上下足了功夫。 在上世纪70年代，人们对约束磁场研究有了重大进展，透过改变约束磁场的分布和位形，解决了等离子体粒子的侧向漂移问题。 世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。 美国、欧洲、日本、苏联建造了四个大型托卡马克，即美国1982年在普林斯顿大学建成的托卡马克聚变实验反应堆（TFTR），欧洲1983年6月在英国建成更大装置的欧洲联合环（JET），日本1985年建成的JT-60，苏联1982年建成超导磁体的T-15，它们后来在磁约束聚变研究中做出了决定性的贡献。 特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应。 1991年11月，JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了摄氏3亿度，聚变能量约束时间达2秒。 反应持续1分钟，产生了1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。 1997年9月22日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新记录。 这一输出功率已达到当时输入功率的60%。 不久输出功率又提高到16.1兆瓦。 在托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25。 中国的核聚变研究也有较快的发展，西南物理研究院1984年建成中国环流器一号（HL-1），1995年建成中国环流器新一号。 中国科学院等离子体物理研究所1995年建成超导装置HT-7。 HT-7是前苏联无偿赠送给中国的一套纵向超导的托卡马克实验装置，经等离子体物理研究所的不断改进，它已成为一个宠大的实验系统。 它包括HT-7超导托卡马克装置本体、大型超高真空系统、大型计算机控制和资料采集处理系统、大型高功率脉冲电源及其回路系统、全国规模最大的低温氦制冷系统、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热系统以及数十种复杂的诊断测量系统。 在十几次实验中，取得若干具有国际影响的重大科研成果。 特别是在2003年3月31日，实验取得了重大突破，获得超过1分钟的等离子体放电，这是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。 在HT-7的基础上，等离子体物理研究所研制和设计了全超导托卡马克装置HT-7U（后来名字更改为EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak），目前正在组装阶段，预计2005年建成。 EAST或者称“实验型先进超导托卡马克”，是一台全超导托卡马克装置，受到国际同行的瞩目。 国际专家普遍认为，EAST可能将成为世界上第一个可实现稳态运行、具有全超导磁体和主动冷却第一壁结构的托卡马克。 该装置有真正意义的全超导和非圆截面特性，更有利於科学家探索等离子体稳态先进运行模式，其工程建设和物理研究将为“国际热核聚变实验堆”（ITER）的建设提供直接经验和基础。 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。 合作之路 从上个世纪50年代初，美国和苏联分别开始秘密地研究可控的核聚变，因为核聚变反应堆不仅可以获取用之不绝的能源，还可以用作稳定的中子源，例如可用来生产核裂变原料。 但理论研究和实验技术上遇到一个又一个难以逾越的障碍，不久独立进行研究的各国就认识到这件事并不容易，只有开展广泛的国际合作才是加速实现核聚变能利用的可行之路。 随后逐渐相互公开研究资料和进展，开始了合作之路。 即使在冷战时期，其他核技术都是相互保密的，惟独热核聚变技术是相互公开的。 1985年，美国总统裏根和苏联总统戈巴契夫，在一次首脑会议上倡议开展一个核聚变研究的国际合作计划，要求“在核聚变能方面进行最广泛的、切实可行的国际合作”。 戈巴契夫、裏根和法国总统密特朗后来又进行了几次高层会晤，支援在国际原子能机构主持下，进行国际热核实验反应堆，即ITER的概念设计和辅助研究开发方面的合作。 1987年春，国际原子能机构总干事邀请欧共体、日本、美国和加拿大、苏联的代表在维也纳开会，讨论加强核聚变研究的国际合作问题，并达成协定，四方合作设计建造国际热核实验堆，并由此诞生了第一个国际热核实验堆的概念设计计划。 计划将於2010年建成一个实验堆，预期产生热功率1500兆瓦、等离子体电流2400万安培，燃烧时间可达16分钟。 随后，由於苏联的解体，计划受到很大影响，1999年美国的退出使ITER计划雪上加霜。 日本和欧共体国家於是成为支援国际磁约束聚变研究计划的主体力量。 经过多年的努力，ITER工程设计修改方案也终於在2001年6月圆满完成。 根据计划，首座热核反应炉将於2006年开工，总造价为约40亿欧元。 聚变功率至少达到500兆瓦。 等离子体的最大半径6米，最小半径2米，等离子体电流1500万安培，约束时间至少维持400秒。 未来发展计划包括一座原型聚变堆在2025年前投入运行，一座示范聚变堆在2040年前投入运行。 2003年2月18日，美国宣布重新加入这一大型国际计划，中国也於前一个月正式加入该项计划的前期谈判。 19日，国际热核实验反应堆计划参与各方在俄罗斯圣彼得堡决定，将於2013年前在日本、西班牙、法国和加拿大四国中的一个国家中建成世界上第一座热核反应炉。 2003年12月20日在华盛顿召开的一次非常热闹的会议上出现了两军对垒的形势：欧盟、中国和俄罗斯主张把反应堆建在法国的卡达拉齐，而美国、南朝鲜和日本则主张建在日本的六所村。 因为没有选择加拿大作为反应堆候选国，加拿大政府随后宣布，由於缺乏资金退出该专案。 ITER的相关会议确定，反应堆所在国出资48%，其他国家各出资10%。 目前各项细节谈判正在紧锣密鼓地进行之中，反应堆建在哪里还没有最终确定。 尽管ITER计划采用了最先进的设计，综合了以往的经验和成果，比如采用全超导技术，但它的确还面临重重挑战。 即使它能如期在2013年如期建成，这个10层楼高的庞大机器能否达到预期目标也还是个未知数。 诸如探索新的加热方式与机制为实现聚变点火，改善等离子体的约束性能，反常输运与涨落现象研究等前沿课题，偏滤器的排灰、大破裂的防御、密度极限、长脉冲H-模的维持、中心区杂质积累等工程技术难关还有待於各国科技工作者群力攻关。 即使对ITER的科学研究真的成功了，聚变发电站至少还要30～50年以后才能实现。 尽管如此，我们还是看到了人造太阳露出的晨曦。
最先进聚变
国际顶尖的核聚变计划有蛮多，基本发达国家都有自己在玩的，但前沿突破最有前途的就如下两个：1.“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，建造约需10年，耗资50亿美元（1998年值）。 ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。 2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，2006年5月，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。 这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。 我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。 2013年1月5日中科院合肥物质研究院宣布，“人造太阳”实验装置辅助加热工程的中性束注入系统在综合测试平台上成功实现100秒长脉冲氢中性束引出。 装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置（右图），其主要技术特点和指标是：16个大型“D”形超导纵场磁体将产生纵场强度 BT = 3.5 T ；12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化 ΔФ ≥ 10 伏秒；通过这些极向场超导磁体，将能产生 ≥ 100万安培的等离子体电流；持续时间将达到1000秒，在高功率加热下温度将超过一亿度。 EAST装置的主机部分高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。 其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。 学科涉及面广，技术难度大，许多关键技术在国际上尚无经验借鉴。 特别是EAST运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境，从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温，给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求。 EAST的建造具有十分重大的科学意义，它不仅是一个全超导托卡马克（左图为托卡马克示意图），而且具有会改善等离子体约束状况的大拉长非圆截面的等离子体位形，它的建成使我国成为世界上少数几个拥有这种类型超导托卡马克装置的国家，使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。 在装置建成后的10-15年期间，能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究，并使中国在人类开发清洁而又无限的核聚变能的领域内做出自己应有的重大贡献。 EAST的大小半径虽然只有国际热核聚变试验堆（即ITER）的1/3和1/4（右图为ITER示意图），但位形与ITER相似且更加灵活 ，而且将比ITER早10-15年投入运行。 EAST是一个近堆芯高参数和稳态先进等离子体运行科学问题的重要实验平台，它将是在ITER之前国际上最重要的稳态偏滤器托卡马克物理实验基地。 以上两个是全世界顶尖级的核聚变计划！据传，土共的EAST将比ITER更早实现商业话运行，让我们拭目以待！！！
可控核聚变还需多少年,发展
1. 可控核聚变实现尚需大约二十年时间。 这一过程涉及将氘和氚离子结合成氦，在此过程中，失去的质量转化为巨大的能量，类似于太阳的发光发热机制。 因此，可控核聚变装置也常被称为“人造太阳”。 2. 我国自主建设的新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（HL-2M）已在成都顺利完成建设并开始放电实验。 这一成就意味着我国已步入全球可控核聚变研究的领先地位，HL-2M的启用将加速人类对未来能源探索的脚步。 3. 可控核聚变技术的进步依赖于超高温和超高密度的环境，通常通过使用先进的托卡马克装置实现。 这些装置通过强大的磁场来约束高达1亿摄氏度的等离子体，在真空中创造反应所需的环境。 4. 全世界的科学家们正在共同研究核聚变实现的方法，并建立相应的模拟实验平台。 HL-2M不仅是我国拥有自主知识产权的装置，而且在规模和参数上均居首位。 5. 国际热核聚变实验堆（ITER）计划是全球最大规模、影响最深远的国际科学工程项目之一。 我国于2006年正式加入该计划，展示了中国在核聚变领域的重要地位和贡献。
