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郭致星:中國(guó)的超級(jí)項(xiàng)目—“人造太陽(yáng)” （可控核聚變裝置）（郭致星）

項(xiàng)目管理

2016-01-20 53398

中國(guó)的超級(jí)項(xiàng)目—“人造太陽(yáng)” （可控核聚變裝置）

工程總投資：—不詳

工程期限：1958年——2050年

位于四川省成都市雙流縣白家鎮(zhèn)，核工業(yè)西南物理研究院聚變研究試驗(yàn)基地的“中國(guó)環(huán)流器2號(hào)A裝置”

　　2006年9月28日，中國(guó)耗時(shí)6年、耗資3億元人民幣自主設(shè)計(jì)制造的新一代托卡馬克磁約束核聚變裝置“EAST”首次成功完成放電實(shí)驗(yàn)，獲得電流200千安、時(shí)間接近3秒的高溫等離子體放電；使EAST成為世界上第一個(gè)建成并真正運(yùn)行的“全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克”核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。這是中國(guó)可控核聚變研究的里程碑式突破。

在古希臘神話中，普羅米修斯從太陽(yáng)神阿波羅處盜下的天火，照亮了人類(lèi)的黑夜。在人類(lèi)現(xiàn)代科技中，可控核聚變技術(shù)將照亮人類(lèi)能源的未來(lái)之路，由于可控核聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生能量的方式和太陽(yáng)類(lèi)似，因此它也被俗稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。

太陽(yáng)是熱核聚變反應(yīng)的典型代表，1938年，美國(guó)科學(xué)家貝特(H.Bethe)和德國(guó)科學(xué)家魏茨澤克(C.F.v.Weizsacker)推測(cè)太陽(yáng)能源可能來(lái)自它的內(nèi)部氫核聚變成氦核的熱核反應(yīng)，這甚至早于核裂變模型的提出。太陽(yáng)的核心溫度高達(dá)1500萬(wàn)攝氏度，表面有6000度，壓力相當(dāng)于2500億個(gè)大氣壓。核心區(qū)的氣體被極度壓縮至水密度的150倍。在這里每時(shí)每刻都發(fā)生著熱核聚變，太陽(yáng)每秒鐘把七億噸的氫變?yōu)楹?，在這過(guò)程中失去400多萬(wàn)噸的質(zhì)量，這種聚變反應(yīng)已經(jīng)持續(xù)了幾十億年，它的輻射能量給地球帶來(lái)無(wú)限生機(jī)。

世界能源危機(jī)

自人類(lèi)進(jìn)入工業(yè)化以來(lái)，世界能源消耗迅速增長(zhǎng)。有數(shù)據(jù)顯示，自1973年以來(lái)，人類(lèi)已經(jīng)開(kāi)采了5500億桶石油（約合800億噸），按照現(xiàn)在的開(kāi)采速度，地球上已探明的1770億噸石油儲(chǔ)量?jī)H夠開(kāi)采50年，已探明的173萬(wàn)億立方米天然氣僅夠開(kāi)采63年；已探明的9827億噸煤炭還可以用300年到400年。核電站發(fā)電需要濃縮鈾，世界上已探明的鈾儲(chǔ)量約490萬(wàn)噸，釷儲(chǔ)量約275萬(wàn)噸，全球441座核電站目每年需要消耗6萬(wàn)多噸濃縮鈾，地球上的鈾儲(chǔ)量?jī)H夠使用100年左右。世界各國(guó)水能開(kāi)發(fā)也已近飽和，而風(fēng)能、太陽(yáng)能尚無(wú)法滿(mǎn)足人類(lèi)龐大的需求。

隨著石油價(jià)格上漲，能源危機(jī)再次被提起，各國(guó)也加快了新能源研發(fā)，核聚變能就是重點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)的裂變式核電站相比，核聚變發(fā)電具有明顯的優(yōu)勢(shì)。核聚變所用的重要核燃料是氘，理論上，只需1千克氘和10千克鋰(通過(guò)鋰可得到氘)就可以保證一座百萬(wàn)千瓦聚變核電站運(yùn)轉(zhuǎn)一天，而傳統(tǒng)核電站和火力發(fā)電站至少需要100千克鈾或1萬(wàn)噸煤。制取1千克濃縮鈾的費(fèi)用是1.2萬(wàn)美元,而制取1千克氘的費(fèi)用只有300美元。一座100萬(wàn)千瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304千克；而一座百萬(wàn)千瓦裂變式核電站，需要30-40噸核燃料。

氘的發(fā)熱量相當(dāng)于同等煤的2000萬(wàn)倍，是海水中大量存在的元素。據(jù)測(cè)算，海水中大約每600個(gè)氫原子中就有一個(gè)氘原子，每1公升海水中含有0.03克的氘，通過(guò)核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于燃燒300公升的汽油。就是說(shuō)，“1升海水約等于300升汽油”。地球上的海水總量約為138億億立方米，其中氘的儲(chǔ)量約40萬(wàn)億噸，足夠人類(lèi)使用百億年。鋰是核聚變實(shí)現(xiàn)純氘反應(yīng)的過(guò)渡性輔助“燃料”，地球上的鋰儲(chǔ)量有2000多億噸，海水中的氘再加上鋰至少夠我們地球用上千億年。氚雖然在自然界比氘少得多，但可從核反應(yīng)中制取，也可用于熱核反應(yīng)?？茖W(xué)家們正在以海水中的氘為主要原料，進(jìn)行核聚變反應(yīng)試驗(yàn)，以期建立可以投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的熱核聚變反應(yīng)堆，徹底解決人類(lèi)未來(lái)的能源問(wèn)題。

　　更為可貴的是核聚變反應(yīng)是清潔能源，中幾乎不存在放射性污染，核裂變的原料本身帶有放射性，而核聚變反應(yīng)過(guò)程中，在任何時(shí)刻都只有一丁點(diǎn)的氘在聚變，無(wú)需擔(dān)憂(yōu)失控的危險(xiǎn)，而且也不會(huì)產(chǎn)生放射性的物質(zhì)。即使像切爾諾貝利核電站那樣發(fā)生損壞，核聚變反應(yīng)堆也會(huì)自動(dòng)立即中止反應(yīng)，因此受控核聚變產(chǎn)生的能量名符其實(shí)是一種無(wú)限、清潔、成本低廉和安全可靠的新能源。在這一系列的動(dòng)力下，核聚變的研究已經(jīng)持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)。

核聚變發(fā)電原理

核聚變反應(yīng)堆的原理很簡(jiǎn)單，只不過(guò)對(duì)于人類(lèi)當(dāng)前的技術(shù)水準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)具有相當(dāng)大的難度。

物質(zhì)由分子構(gòu)成，分子由原子構(gòu)成，原子中的原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成，原子核外包覆與質(zhì)子數(shù)量相等的電子。質(zhì)子帶正電，中子不帶電。電子受原子核中正電的吸引，在"軌道"上圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。不同元素的電子、質(zhì)子數(shù)量也不同，如氫和氫同位素只有1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子，鈾是天然元素中最重的原子，有92個(gè)質(zhì)子和92個(gè)電子。

核聚變是指由質(zhì)量輕的原子（主要是指氫的同位素氘和氚）在超高溫條件下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核（氦），并釋放出巨大的能量。1千克氘全部聚變釋放的能量相當(dāng)11000噸煤炭。其實(shí)，利用輕核聚變?cè)?，人?lèi)早已實(shí)現(xiàn)了氘氚核聚變———氫彈爆炸，但氫彈是不可控制的爆炸性核聚變，瞬間能量釋放只能給人類(lèi)帶來(lái)災(zāi)難。如果能讓核聚變反應(yīng)按照人們的需要，長(zhǎng)期持續(xù)釋放，才能使核聚變發(fā)電，實(shí)現(xiàn)核聚變能的和平利用。

如果要實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，那么在核聚變反應(yīng)堆中，第一步需要將作為反應(yīng)體的氘-氚混合氣體加熱到等離子態(tài)，也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛，讓原子核能自由運(yùn)動(dòng)，這時(shí)才可能使裸露的原子核發(fā)生直接接觸，這就需要達(dá)到大約10萬(wàn)攝氏度的高溫。

第二步，由于所有原子核都帶正電，按照“同性相斥”原理，兩個(gè)原子核要聚到一起，必須克服強(qiáng)大的靜電斥力。兩個(gè)原子核之間靠得越近，靜電產(chǎn)生的斥力就越大，只有當(dāng)它們之間互相接近的距離達(dá)到大約萬(wàn)億分之三毫米時(shí)，核力（強(qiáng)作用力）才會(huì)伸出強(qiáng)有力的手，把它們拉到一起，從而放出巨大的能量。

質(zhì)量輕的原子核間靜電斥力最小，也最容易發(fā)生聚變反應(yīng)，所以核聚變物質(zhì)一般選擇氫的同位素氘和氚。氫是宇宙中最輕的元素，在自然界中存在的同位素有: 氕、氘 (重氫)、氚 (超重氫)。在氫的同位素中，氘和氚之間的聚變最容易，氘和氘之間的聚變就困難些，氕和氕之間的聚變就更困難了。因此人們?cè)诳紤]聚變時(shí)，先考慮氘、氚之間的聚變，后考慮氘、氘之間的聚變。重核元素如鐵原子也能發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放的能量也更多；但是以人類(lèi)目前的科技水平，尚不足滿(mǎn)足其聚變條件。

為了克服帶正電子原子核之間的斥力，原子核需要以極快的速度運(yùn)行，要使原子核達(dá)到這種運(yùn)行狀態(tài)，就需要繼續(xù)加溫，直至上億攝氏度，使得布朗運(yùn)動(dòng)達(dá)到一個(gè)瘋狂的水平，溫度越高，原子核運(yùn)動(dòng)越快。以至于它們沒(méi)有時(shí)間相互躲避。然后就簡(jiǎn)單了，氚的原子核和氘的原子核以極大的速度，赤裸裸地發(fā)生碰撞，結(jié)合成1個(gè)氦原子核，并放出1個(gè)中子和17.6兆電子伏特能量。

反應(yīng)堆經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，內(nèi)部反應(yīng)體已經(jīng)不需要外來(lái)能源的加熱，核聚變的溫度足夠使得原子核繼續(xù)發(fā)生聚變。這個(gè)過(guò)程只要將氦原子核和中子及時(shí)排除出反應(yīng)堆，并及時(shí)將新的氚和氘的混合氣輸入到反應(yīng)堆內(nèi)，核聚變就能持續(xù)下去；核聚變產(chǎn)生的能量一小部分留在反應(yīng)體內(nèi)，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，剩余大部分的能量可以通過(guò)熱交換裝置輸出到反應(yīng)堆外，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。這就和傳統(tǒng)核電站類(lèi)似了。

核聚變消耗的燃料是世界上十分常見(jiàn)的元素——氘（也就是重氫）。氘在海水中的含量還是比較高的，只需要通過(guò)精餾法取得重水，然后再電解重水就能得到氘。新的問(wèn)題出現(xiàn)了，僅僅有氘還是不夠的，盡管氘-氘反應(yīng)也是氫核聚變的主要形式，但我們?nèi)祟?lèi)現(xiàn)有條件下，根本無(wú)法控制氘-氘反應(yīng)，它太猛烈了，所需要的溫度要高得多，除了在實(shí)驗(yàn)室條件下做一次性的實(shí)驗(yàn)外，很難讓它鏈?zhǔn)椒磻?yīng)下去——那是氫彈一樣的威力。還好，人們發(fā)現(xiàn)了氘-氚反應(yīng)的烈度要小很多，它的反應(yīng)速度僅僅是氘-氘反應(yīng)的100分之一，而點(diǎn)火溫度反倒低得多，很適合人類(lèi)現(xiàn)有條件下的利用。

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，所以在地球誕生之初的氚早已衰變地?zé)o影無(wú)蹤了?，F(xiàn)在人類(lèi)的氚都是人工制造而非天然提取的，人們通常用重水反應(yīng)堆在發(fā)電之余人工制造少量的氚—— 它是地球上最貴的東西之一，一克氚價(jià)值超過(guò)30萬(wàn)美元，僅在美國(guó)保存有30公斤左右的氚。這么貴的原料，用作核聚變發(fā)電顯然是無(wú)法接受的，幸好上帝給人類(lèi)又提供了一種好東西——鋰。鋰元素也是世界上最豐富的資源，有2000多億噸。一方面海水中就包含足夠的氯化鋰，分離出來(lái)即可。另一方面，中國(guó)是世界鋰資源最豐富的國(guó)家，碳酸鋰礦也不是稀有資源，更容易獲得。鋰的2種同位素——鋰-6和鋰-7，在被中子轟擊之后，就會(huì)裂變，他們的產(chǎn)物都是氚和氦，目前為止人類(lèi)在重水反應(yīng)堆中制造氚，用的就是將鋰靶件植入反應(yīng)堆的方法。

在聚變反應(yīng)堆內(nèi)，氚和氘反應(yīng)后，除了形成一個(gè)氦原子核之外，還有一個(gè)多余的中子，并且能量很高。我們只需要在核聚變的反應(yīng)體之內(nèi)保持一定比例的鋰原子核濃度，那么核聚變產(chǎn)生的中子就會(huì)轟擊鋰核，促使鋰核裂變，產(chǎn)生一個(gè)新的氚，這個(gè)氚則繼續(xù)參與氚-氘反應(yīng)，繼而產(chǎn)生新的中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)形成了。所以，理論上我們只需要給反應(yīng)體提供兩種原料——氘和鋰，就能實(shí)現(xiàn)氘-氚反應(yīng)，并且維持它的進(jìn)行。

看起來(lái)很簡(jiǎn)單是吧，只是還有一個(gè)問(wèn)題，能夠承載上億攝氏度超高溫反應(yīng)體的核反應(yīng)堆用什么材料來(lái)制造呢？要知道，太陽(yáng)表面的溫度也才只有6000萬(wàn)度左右。迄今為止，人類(lèi)還沒(méi)有造出任何能經(jīng)受1萬(wàn)攝氏度高溫的材料，更不要說(shuō)上億攝氏度了。以上這些因素就是為什么一槌子買(mǎi)賣(mài)的氫彈已經(jīng)爆炸了50年后，人類(lèi)還是沒(méi)能有效地從核聚變中獲取能量的重要原因。

托卡馬克裝置

為了解決核聚變反應(yīng)堆的制造問(wèn)題。早在60年前，科學(xué)家們提出了兩種約束高溫反應(yīng)體進(jìn)行核聚變的理論，一種是激光慣性約束。這一方法是把幾毫克的氘和氚的混合氣體裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)，然后從外面均勻射入高能激光束或粒子束，球囊內(nèi)的氘-氚反應(yīng)氣體受力向內(nèi)擠壓，壓力升高，溫度也急劇升高，當(dāng)溫度達(dá)到核反應(yīng)需要的溫度時(shí)，球內(nèi)氣體發(fā)生核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱能。這樣的爆炸每秒鐘持續(xù)不斷地發(fā)生三四次，釋放出的熱量傳導(dǎo)出來(lái)就能發(fā)電，功率可達(dá)到百萬(wàn)千瓦以上。這一理論的奠基人之一是我國(guó)著名科學(xué)家王淦昌院士。

另一種就是磁力約束，如核聚變反應(yīng)的高溫條件下，等離子體微粒的運(yùn)行難以捉摸。而實(shí)現(xiàn)可控制的核聚變，就必須約束這些“亂跑”的等離子體。那么，怎樣在高溫下約束等離子體的運(yùn)行？

　　20世紀(jì)40年代末，蘇聯(lián)科學(xué)家伊戈?duì)?/span>·塔姆和安德烈·薩哈羅夫（蘇聯(lián)氫彈之父）提出了“磁約束”概念，即通過(guò)強(qiáng)大的磁場(chǎng)形成一個(gè)封閉的環(huán)繞型磁力線，讓等離子體沿磁力線運(yùn)行。等離子體具有的一個(gè)性質(zhì)是，磁場(chǎng)不可穿過(guò)其內(nèi)部，只可以沿著等離子體的邊沿繞行，這樣就可以使用磁場(chǎng)將等離子體約束起來(lái)，利用運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，使核聚變物質(zhì)與容器隔離。

磁籠線圈通電后會(huì)產(chǎn)生巨大磁場(chǎng)，將等離子體攬?jiān)诃h(huán)形真空室內(nèi)做高速螺旋運(yùn)動(dòng)，就好像鏈球運(yùn)動(dòng)員一樣，雖然球在圍著身體高速旋轉(zhuǎn)，控制球的繩子卻一直抓在手里，它可以把炙熱的等離子體托舉在空中。根據(jù)這一原理，蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇不斷進(jìn)行研究和改進(jìn)，于1954年制造了世界第一個(gè)“環(huán)形磁約束容器”裝置，他們將這一形如面包圈的環(huán)形容器命名為托卡馬克(tokamak)。它的名字 Tokamak 來(lái)源于環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)，中文大意是環(huán)形磁籠真空放電器，也有個(gè)很貼切但是沒(méi)有推廣的中文名 “環(huán)流器”。

從50年代開(kāi)始聚變研究以來(lái)，世界各國(guó)發(fā)展了很多類(lèi)型的磁約束聚變裝置，有箍縮、仿星器、多極場(chǎng)、托卡馬克等形式，但參數(shù)都很低。直到1968年8月，在蘇聯(lián)召開(kāi)國(guó)際受控核聚變研討會(huì)上，阿齊莫維齊宣布蘇聯(lián)在T-3托卡馬克裝置上實(shí)現(xiàn)了1000萬(wàn)度的等離子體放電，并實(shí)現(xiàn)能量輸出，這是受控核聚變研究的重大突破，在國(guó)際上掀起了一股托卡馬克的熱潮，各國(guó)相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置。其中比較著名的有美國(guó)普林斯頓大學(xué)由仿星器-C改建成的ST Tokamak，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的奧爾馬克(Ormark)，法國(guó)馮克奈-奧-羅茲研究所的TFR Tokamak，英國(guó)卡拉姆實(shí)驗(yàn)室的克利奧(Cleo)，西德馬克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak等。除“仿星器”外，其他裝置逐步退出科研的平臺(tái)。利用托卡馬克裝置進(jìn)行的磁約束核聚變研究和利用高能激光進(jìn)行的慣性約束核聚變研究，成為世界可控核聚變研究的兩種主要途徑。

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在30多個(gè)國(guó)家建造的大大小小上百個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置上，每一次放電時(shí)間的延長(zhǎng)，人們都為之興奮；每一次溫度的提高，人們都為之歡呼；因?yàn)檫@看似小小的進(jìn)步，都意味著我們離聚變能的應(yīng)用更近了一步。為了達(dá)到聚變所要求的條件，托卡馬克已經(jīng)變?yōu)橐粋€(gè)高度復(fù)雜的裝置，十八般武藝全用上了，其中有超大電流、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超高溫、超低溫等極限環(huán)境，對(duì)工藝和材料也提出了極高的要求，從堆芯上億度的高溫到線圈中零下269度的低溫，就可見(jiàn)一斑。由于難度過(guò)高，世界各國(guó)不得不攜手合作，因此可控核聚變已經(jīng)成為世界最開(kāi)放的高技術(shù)合作領(lǐng)域。

中國(guó)早期可控核聚變研究

我國(guó)核聚變能研究開(kāi)始于上世紀(jì)50年代末，盡管經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間非常困難的環(huán)境，但始終能堅(jiān)持穩(wěn)定、逐步的發(fā)展，建成了兩個(gè)在發(fā)展中國(guó)家最大的、理工結(jié)合的大型現(xiàn)代化專(zhuān)業(yè)研究所，即中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司所屬的西南物理研究院（SWIP）及中國(guó)科學(xué)院所屬的合肥等離子體物理研究所（ASIPP）。為了培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才，還在中國(guó)科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、華中理工大學(xué)、清華大學(xué)等高等院校中建立了核聚變及等離子體物理專(zhuān)業(yè)或研究室。

我國(guó)核聚變研究起步時(shí)，就以在我國(guó)實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兡転橹饕繕?biāo)。從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，集中選擇了托卡馬克裝置為主要研究途徑，先后建成并運(yùn)行了小型CT-6（中科院物理所）、KT-5（中國(guó)科技大學(xué)）、HT-6B（合肥等離子所）、HL-1（西南物理研究院）、HT-6M（合肥等離子所）及中型HL-1M（西南物理研究院）等幾十裝置。2002年，西南物理研究院建成的環(huán)流器2號(hào)A裝置（HL-2A），進(jìn)入世界少數(shù)幾個(gè)中型托克馬克之列。在這些裝置的成功研制過(guò)程中，組建并鍛煉了一批聚變工程隊(duì)伍，開(kāi)展了一系列十分有意義的研究工作。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院創(chuàng)建于1950年，是新中國(guó)第一個(gè)核科研機(jī)構(gòu)，吳有訓(xùn)、錢(qián)三強(qiáng)、趙忠堯、王淦昌、彭桓武、于敏、鄧稼先等中國(guó)核科技事業(yè)的先驅(qū)者們，在這里艱苦拓荒，為中國(guó)核科技事業(yè)的發(fā)展打下了初步的基礎(chǔ)，1958年，該所建成我國(guó)第一座實(shí)驗(yàn)性重水反應(yīng)堆和回旋加速器，現(xiàn)有工作人員3000余人。1958年，中國(guó)科學(xué)院原子能研究所二部(現(xiàn)原子能科學(xué)研究院)開(kāi)始磁約束聚變的研究。1964年12月,王淦昌獨(dú)立提出激光驅(qū)動(dòng)核聚變的建議。在他倡導(dǎo)下,我國(guó)激光慣性約束核聚變研究開(kāi)始起步。在他直接領(lǐng)導(dǎo)下，先后開(kāi)展強(qiáng)流電子束慣性約束核聚變和氟化氪激光慣性約束核聚變的基礎(chǔ)性研究工作。1966年“文革”以前，二機(jī)部和中科院的領(lǐng)導(dǎo)協(xié)商，確定科學(xué)院也開(kāi)展受控核聚變的研究工作，由二機(jī)部主攻磁鏡，中科院開(kāi)展箍縮類(lèi)裝置研究。

北京中關(guān)村科技園區(qū)創(chuàng)始人——陳春先（右），中國(guó)最早的核聚變研究專(zhuān)家和他領(lǐng)銜研制的CT-6裝置。

中國(guó)第一臺(tái)托卡馬克裝置（CT-6）

中國(guó)科學(xué)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年在兩所合并的基礎(chǔ)上成立了中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用物理研究所，1958年更名為物理研究所。至今，已有50余位院士先后在物理所工作過(guò)，包括吳有訓(xùn)、趙忠堯、嚴(yán)濟(jì)慈、吳健雄、錢(qián)三強(qiáng)等著名科學(xué)家。從1972年起，中科院物理所研究員陳春先和中科院電工研究所嚴(yán)陸光等人組成課題組，開(kāi)始研制我國(guó)第一臺(tái)鐵芯變壓器托卡馬克裝置——北京托卡馬克6號(hào)（CT-6），并于1974年正式建成，引起國(guó)際物理學(xué)界的高度重視。該裝置于1974年開(kāi)始運(yùn)行，1975年得到平衡穩(wěn)定等離子體環(huán)。其參數(shù)為大環(huán)半徑R＝45厘米；小半徑a＝10厘米；環(huán)向磁場(chǎng)B＝1.3KG；等離子體電流Ip≤35安培。利用該裝置，進(jìn)行了平衡不穩(wěn)定邊界的觀測(cè)以及微波預(yù)電離、清洗放電等實(shí)驗(yàn)工作。北京托卡馬克6號(hào)的研制成功不僅是我國(guó)當(dāng)年最好的科技成果，也打破西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)核聚變的壟斷。該成果獲1978年全國(guó)科技大會(huì)一等獎(jiǎng)。1978年CT-6裝置升級(jí)為CT-6B，后于2000年關(guān)閉。

核工業(yè)西南物理研究院

核工業(yè)西南物理研究院建于1965年,隸屬中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司,是我國(guó)最早從事核聚變能源開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)研究院。1965年8月，因中蘇關(guān)系日趨緊張，國(guó)務(wù)院國(guó)防工業(yè)辦公室和二機(jī)部（核工業(yè)部）共同決定：將1958年建于東北黑龍江的原子核物理研究所（503所），遷移至四川樂(lè)山市郊肖壩的大山里重建。為戰(zhàn)備需要，他們?cè)诮ㄔO(shè)過(guò)程中，先將整座大山挖開(kāi)，在洞里建造‘工號(hào)’，最后再用土掩埋起來(lái)，讓實(shí)驗(yàn)室和山連為一體。這樣，偵察機(jī)從上至下看，便是一座山。而對(duì)于樓房，則在樓頂加水做成水池，讓敵機(jī)俯瞰誤以為是稻田。對(duì)外他們則自稱(chēng)是“化工機(jī)械廠”。為了讓研究所更隱蔽，要求公路不能超過(guò)8米寬，否則很容易被敵國(guó)衛(wèi)星、飛機(jī)偵察出此地有大型研究機(jī)構(gòu)。即便是當(dāng)?shù)厥虚L(zhǎng)都不知道他們是做什么的。直到1977年，中央批準(zhǔn)可以有限制對(duì)外開(kāi)放后，當(dāng)?shù)卣诺谝淮沃肋@座“化工機(jī)械廠”原來(lái)是研究核聚變的專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)。

核聚變研究包括激光慣性約束核聚變和托卡馬克裝置兩條道路。1954年，世界第一個(gè)托卡馬克裝置在原蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫原子能研究所建成。1968年，前蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫原子能研究所的科學(xué)家在T3托卡馬克裝置上取得新突破，在1000萬(wàn)度高溫以上獲得穩(wěn)定環(huán)形高溫等離子體，在全球核聚變界引起轟動(dòng)，西方各國(guó)紛紛建造托卡馬克，70年代中期之后，各國(guó)建造大型托卡馬克裝置(JET , JT60, TFTR)的項(xiàng)目紛紛上馬。

1968年，核工業(yè)西南物理研究院老院長(zhǎng)邢洪業(yè)在北京一個(gè)外語(yǔ)書(shū)店里看到關(guān)于俄羅斯專(zhuān)家運(yùn)行托卡馬克的實(shí)驗(yàn)裝置，深受鼓舞。他第一個(gè)提出，我國(guó)應(yīng)該走托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置路徑進(jìn)行核聚變研究。當(dāng)時(shí)很多人反對(duì)，也有人贊同。邢洪業(yè)頂住壓力，在我國(guó)12年規(guī)劃后面寫(xiě)了一個(gè)‘7年躍進(jìn)’規(guī)劃的附件，建議采用托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置。”經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，該所共建成了22個(gè)受控核聚變等離子體實(shí)驗(yàn)研究裝置，開(kāi)展了一系列物理實(shí)驗(yàn)。九十年代后，核工業(yè)西南物理研究院又在成都市近郊雙流縣白家鎮(zhèn)新建了聚變研究實(shí)驗(yàn)基地，中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置就建在此地。

中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1）

1984年9月21日，核工業(yè)部西南物理研究所設(shè)計(jì)建造的受控?zé)岷司圩冄芯繉?shí)驗(yàn)裝置——中國(guó)環(huán)流器一號(hào)（HL-1），在四川省樂(lè)山市郊順利啟動(dòng)并通過(guò)驗(yàn)收。西南物理研究院在環(huán)流器一號(hào)( HL-1）之前已經(jīng)建造很多小尺寸的裝置，環(huán)流器一號(hào)是中國(guó)第一個(gè)中型“托卡馬克”裝置，大環(huán)半徑1.02米，由干式長(zhǎng)脈沖變壓器、環(huán)向磁場(chǎng)線圈、內(nèi)外垂直磁場(chǎng)線圈、內(nèi)外真空室、超高真空機(jī)組和高真空機(jī)組，以及主機(jī)支架及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等六大部件。這套裝置順利啟動(dòng)后，產(chǎn)生了等離子體，取得了預(yù)期的調(diào)數(shù)據(jù)。環(huán)流器一號(hào)的研制成功，標(biāo)志著中國(guó)在受控?zé)岷司圩兛蒲蓄I(lǐng)域的裝置建造和實(shí)驗(yàn)手段有了新發(fā)展，為今后的物理試驗(yàn)研究打下了良好的基礎(chǔ)。

1994年10月，在中國(guó)環(huán)流器一號(hào)裝置的基礎(chǔ)上，該所建成了中國(guó)環(huán)流器新一號(hào)裝置（HL-1M），中國(guó)環(huán)流器一號(hào)經(jīng)過(guò)重新改建，各項(xiàng)參數(shù)均有重大提高。真空室結(jié)構(gòu)由原來(lái)的雙層改成了單層厚壁真空室；在無(wú)導(dǎo)體殼的情況下，采用了先進(jìn)的托卡馬克等離子體平衡反饋手段；診斷實(shí)驗(yàn)窗口由原來(lái)的23個(gè)增加到54個(gè)，增強(qiáng)了裝置的可近性，為進(jìn)行深入物理實(shí)驗(yàn)、輔助加熱及電流驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)中取得了等離子體電流315千安，等離子體放電持續(xù)時(shí)間4秒的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，不僅創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)核聚變裝置物理實(shí)驗(yàn)的最高紀(jì)錄，而且達(dá)到了國(guó)際上同類(lèi)型、同規(guī)模裝置的先進(jìn)水平，已取得400多項(xiàng)研究成果。

中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置（HL-2A)

在中國(guó)環(huán)流器一號(hào)研究取得重大進(jìn)展的同時(shí)，核工業(yè)西南物理研究院開(kāi)始著手我國(guó)第一個(gè)帶有偏濾器的大型托卡馬克裝置——中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置的立項(xiàng)工作。就在此時(shí)，我國(guó)一位核聚變界知名專(zhuān)家得知，德國(guó)有意將1990年8月停止使用的軸對(duì)稱(chēng)偏濾器實(shí)驗(yàn)裝置（ASDEX），轉(zhuǎn)讓給有研究實(shí)力的國(guó)家。而該裝置與中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置的磁體和真空室的尺寸相當(dāng)，可以加以利用改造。將科研裝置轉(zhuǎn)讓給有需求的國(guó)家繼續(xù)使用，是國(guó)際上許多國(guó)家普遍開(kāi)展的國(guó)際科技合作的重要內(nèi)容，它的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)，加快研究速度，縮短周期，推動(dòng)更多的國(guó)家開(kāi)展研究。

核工業(yè)西南物理研究院與德國(guó)方面進(jìn)行了多次洽談，談判的核心是中國(guó)有沒(méi)有能力讓這套裝置在中國(guó)發(fā)揮作用。最終，中國(guó)的實(shí)力取得了德方的信任，戰(zhàn)勝了其它競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，我國(guó)最后一個(gè)提出申請(qǐng)，卻一舉贏得了勝利。1995年7月，中德雙方達(dá)成協(xié)議，德方將ASDEX裝置主機(jī)部件贈(zèng)送給核工業(yè)西南物理研究院。

1995年8月，核工業(yè)西南物理研究院的技術(shù)小分隊(duì)來(lái)到德國(guó)慕尼黑郊區(qū)小鎮(zhèn)——伽興，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，這臺(tái)由上萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配堅(jiān)固的部件組成的ASDEX裝置主機(jī)一件件拆卸分解開(kāi)，又有條不紊地將這臺(tái)原本高約10米、重約500噸的大型設(shè)備裝箱運(yùn)送回國(guó)內(nèi)。1999年4月，中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置工程正式開(kāi)工，其間攻克了安裝工作中的眾多問(wèn)題，僅用了兩年的時(shí)間就高質(zhì)量地完成了中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A主機(jī)裝置安裝工作。

中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置的中央控制系統(tǒng)制，包括反饋系統(tǒng)、裝置控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，它必須滿(mǎn)足先進(jìn)性、安全性、共享性、靈活性、自動(dòng)化程度高等多方面的高技術(shù)要求。為此，科研人員運(yùn)用高速、高精度的控制軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)等離子體電流、位移、等離子體截面、MHD擾動(dòng)、密度等的精確控制，保證了中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A裝置放電的等離子體參數(shù)的精確性。環(huán)流器二號(hào)A裝置上進(jìn)行偏濾器位形放電，需要從多方面滿(mǎn)足其特殊的高技術(shù)要求。磁場(chǎng)電源系統(tǒng)方面其總計(jì)脈沖容量需要達(dá)到近30萬(wàn)千伏，電源幾乎全是高壓強(qiáng)電源，輸出電流應(yīng)達(dá)到45千安。為此，核西物院成功地設(shè)計(jì)研制出了能夠約束、加熱、平衡等離子體以及進(jìn)行等離子體位移控制的八套不同作用和特點(diǎn)的磁場(chǎng)電源。

核工業(yè)西南物理研究院還用一年多的時(shí)間，建成了當(dāng)今我國(guó)最大單機(jī)裝機(jī)容量脈沖發(fā)電機(jī)組，并成功實(shí)現(xiàn)三套脈沖發(fā)電機(jī)組異步再加速，同步運(yùn)行，同時(shí)為裝置供電；研制了三套脈沖發(fā)電機(jī)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制保護(hù)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；研制了以微機(jī)及單片機(jī)為核心的兩套80兆伏安發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁快速數(shù)字控制系統(tǒng)；對(duì)大型高速脈沖發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)軸系精細(xì)動(dòng)平衡測(cè)試調(diào)整。為進(jìn)一步提高供電能力，該室正在進(jìn)行兩臺(tái)80兆伏安發(fā)電機(jī)組的雙饋超同步變頻調(diào)速。采用了最先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，提高了供電系統(tǒng)的可靠性與靈活性。

2002年12月，中國(guó)環(huán)流器2號(hào)A裝置，在成都核工業(yè)西南物理研究院建成并投入運(yùn)行。2007年5月，核工業(yè)西南物理研究院的核聚變裝置——中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A在進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)中，成功使其等離子體溫度達(dá)到5500萬(wàn)℃，等離子體電流達(dá)到433千安，朝向上億℃的核聚變點(diǎn)火溫度又前進(jìn)了一步。

隨著“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A”裝置在高溫參數(shù)下運(yùn)行，我國(guó)科學(xué)家將開(kāi)展一系列物理實(shí)驗(yàn)研究，開(kāi)展新型偏濾器、超導(dǎo)磁體等關(guān)鍵工程技術(shù)項(xiàng)目預(yù)研，進(jìn)行工程試驗(yàn)堆設(shè)計(jì)與材料研究及其關(guān)鍵部件預(yù)研，為2015年前后設(shè)計(jì)建造氘氚燃燒試驗(yàn)裝置（ HL－3）提供技術(shù)和物理基礎(chǔ)。

中國(guó)環(huán)流器2號(hào)A裝置