我国核聚变之路任重而道远

况冬　陈晨

众所周知，核聚变能资源无限，能够和谐高效地解决人类社会的能源问题、环境问题，推动人类社会的可持续发展，是人类的终极能源目标之一。核聚变能源的诱惑力如此之大，以至于世界各国都不愿只做旁观者，特别是俄罗斯、美国、日本和欧盟等一些重要国家和国际组织，早已着手布局。我国也不甘人后，数十年如一日地发展研究，开启了核聚变研究的创业之旅与逆袭之路。

我国核聚变的创业之旅

从20世纪50年代开始，很多国家都对核聚变研究青睐有加。美国、苏联、欧共体、日本等或是为巩固大国地位，或是为解决能源短缺问题，早早地开始了对核聚变的研究。我国的受控核聚变研究起步也比较早，可以追溯到20世纪50年代后期，并逐步建成等离子物理研究所和西南物理研究所2个专业单位，专注于受控核聚变的研究。

随着苏联T-3托卡马克装置开启了核聚变研究领域的托卡马克时代，我国科学家注意到这一巨大成就，开始建立托卡马克研究课题，并于1974年建成我国第一台铁芯变压器托卡马克装置CT-6，自此走上了核聚变的创业之旅。

等离子体研究所先后对CT-6装置进行了2次改造，并将装置分别命名为“HT-6A”和“HT-6B”，通过研究取得了初步成果。在积极改造装置的同时，等离子体研究所也在不断创新，于1980年设计了一个更大的核聚变实验装置HT-6M。通过鉴定，该装置性能优良，达到同类装置的国际水平，充分表明等离子体研究所已经具备建造中型受控核聚变装置的能力。

与此同时，西南物理研究所取得的研究成果也颇丰。1984年，该所研制出当时我国规模最大的托卡马克装置——中国环流器一号（HL-1）。1995年，该所将其升级为等离子体主要参数更高的HL-1M。2002年，该所又将德国赠送的托卡马克ASDEX改造成我国第一个具有偏滤器位形的中国环流器二号A（HL-2A），并在国内首次实现了偏滤器位形放电。从CT-6到HL-2M（HL-2A的升级版），我国的常规超导托卡马克装置规模越来越大，参数越来越高，取得了令人瞩目的成绩。同时，该研究所也培养了大批的受控核聚变相关科研人才，为我国的核聚变研究奠定了基础，积蓄了力量。

CT-6

我國核聚变装置在自主研制的同时，也积极引进改造，双管齐下。苏联建造的T-7是世界上第一个超导托卡马克装置，它的一些关键设备当时在国内还无法制造。苏联在表明了赠送的意愿之后，等离子体研究所在霍裕平所长的带领下，认真分析了国际核聚变发展的趋向，认为超导磁体是磁约束核聚变装置发展的必由之路，于是研究所决定抓住机遇，停止在建的非超导托卡马克项目，采用以易货贸易的方式引进T-7装置，并集中全所主要的人力和物力对T-7装置及其低温系统进行根本性的改造，在较短时间内将一个原本不具备物理实验功能的T-7装置改造成能够开展多种实验的先进装置HT-7。与常规超导托卡马克不同的是，它的纵场线圈采用铌钛（NbTi）超导体绕制而成，电阻为零，即使通过很大的电流线圈也不会发热。

一般来说，建造HT-7这样的装置正常投资要数十亿元，而这次仅仅花费了约2亿元，就建成了当时非常先进的大型超导脉冲核聚变研究装置，让我国步入了世界核聚变研究的先进水平。

HT-7装置总共运行了18年，在此期间进行了将近20轮的科学实验，总共放电10万多次，取得了多项工程和物理上的重要成果。2003年3月，该装置获得了超过1分钟的等离子体放电，成为第2个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置，这大大提升了我国在磁约束核聚变研究领域的地位。2008年3月，HT-7装置再次创下新纪录，连续重复实现了长达400秒的等离子体放电，这是当时国际同类装置中持续时间最长的。2012年10月，HT-7装置正式“退役”。

HT-7装置不仅是我国第一台超导托卡马克装置，而且也是世界上少有的几个超导托卡马克装置之一。它的成功建设和运行，为中国的核聚变事业全面走向国际舞台开拓了一条创新之路，使我国的核聚变研究跻身于世界核聚变研究的前沿。

我国核聚变的逆袭之路

在成功建设HT-7超导托卡马克装置之后，中国科学院等离子体物理研究所又提出建设全超导托卡马克装置的构想。当时，国际上已经建成的超导托卡马克装置只有纵场磁体部分是超导材料，由于造价太高、制造难度大等原因，并没有制造全超导托卡马克装置的先例。而未来的核聚变电站需要长时间连续稳态运行，要求装置的所有磁体都由超导线圈绕制。这充分说明磁约束核聚变的发展方向是超导托卡马克，故而建设全超导托卡马克装置势在必行。

于是，中国科学院等离子体研究所提出了“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置建设”计划，即“东方超环”——EAST。等离子体研究所克服重重困难，独立完成物理和工程设计，自主研发了所有的关键部件。装置的内部线圈全部采用了超导材料，这是世界首台全超导非圆截面托卡马克装置。项目从开工建造到完成总装，耗时约5年，于2006年完成工程调试，并实现首次放电。2012年，EAST获得411秒2000万摄氏度高温等离子体持续放电，创造该类型装置连续运行最长时间的世界纪录。2017年7月，EAST实现了稳定的101.2秒长脉冲约束等离子体运行，是世界上第一个实现百秒量级的装置。EAST的成功建造和运行，为我国磁约束核聚变研究的下一步计划奠定了坚实的物理、工程技术和人才队伍基础，同时也大大推进了人类核聚变事业的发展，受到国际核聚变界的高度评价。

在自我发展的同时，我国也注重加强国际合作。2003年，我国正式加入ITER计划，并承担了一部分ITER装置的设计和建造工作。作为ITER计划7个合作方之一，我国承担了其中约9%的科研建设任务，同时享有5%以上的职员配比。随着ITER计划的推进和我国科技实力的增强，这一比例在不断上升。

HL-1

HL-1M

中國环流二号A（HL-2A）

中国聚变工程实验堆

HT-7

EAST作为最“接近”于ITER的托卡马克装置，与ITER有类似的先进非圆截面偏滤器磁场位形，并具有一体化设计的极向场系统、以射频波加热为主等特性。这些特性使得EAST成为对ITER关键科学和技术问题进行实验验证的平台，大大降低了ITER的风险。以EAST为依托，我国对于ITER的建设和运行将有十分重要的贡献。全面参与ITER计划，有利于我国磁约束核聚变相关研究的“走出去”和“引进来”，促进我国核聚变研究实现跨越式发展。

我国在参与建设ITER的同时，也在筹划建造新一代的超导托卡马克聚变工程实验堆——CFETR，它是聚变堆发电从实验堆过渡到原型电站不可或缺的工程堆。与ITER相比，未来CFETR能够实现稳态或长脉冲“燃烧”等离子体，还能够实现氚的自给自足。与EAST不同的是，CFETR正逐步走向实用化，瞄准了未来聚变能的开发和应用。我国计划建成世界首个聚变实验电站，并在2050年实现核聚变商业化，完成人类终极能源的梦想。

EAST装置的真空抽气系统

CFETR项目的实施，对于解决能源危机问题具有重要意义，同时对于我国完全掌握设计和建造下一代聚变堆的技术有着重要的战略意义。在缩小ITER建设延迟对我国核聚变研究进度影响的同时，可以全面消化吸收ITER的关键技术，掌握聚变堆相关的物理工程技术。这个项目将快速推动我国走向世界核聚变领域的中央，并助力中国技术引领世界这一梦想的实现。

我国核聚变的未来之途

在半个多世纪“人造小太阳”的研究征程中，世界各国建造的托卡马克实验装置已逾百座，放电时间从几微秒到数百秒不等，人类的核聚变研究取得了巨大的进步和发展。但距离实现核聚变能发电的目标还有很长的路要走。

在近半个世纪的时间里，我国的核聚变研究之路经历了从无到有、从弱到强、从跟随到领跑的历程。回首过去，数代托卡马克装置的成功建造和运行，为未来稳态、先进聚变实验反应堆的建成奠定了良好的工程技术和物理基础。放眼未来，我国核聚变科研团队以卓越的眼光绘制了发展蓝图，通过参加和支持ITER项目，以及推进CFETR项目进程，我国将实现开发核聚变能的跨越式发展，并为最终实现核聚变能的实际应用作出重要贡献。

CFETR项目的推进，不但能为我国进一步独立自主地开发和利用核聚变能奠定坚实的科学技术与工程基础，而且使我国率先利用核聚变发电、实现能源的跨越式发展成为可能。我国将继续引领磁约束核聚变研究朝着更高的科学目标迈进，向核聚变能的和平开发利用目标更进一步。

“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。核聚变之路虽然充满了荆棘与坎坷，但我们相信，未来核聚变的发展前途一片光明，总有一天我们会成功建成核聚变商业电站，以供未来人们生产和生活所用。同时，我们也殷切地希望，我国能够早日实现核聚变商业化，率先让“人造小太阳”之光点亮世界，造福人类。