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來源：互聯(lián)網(wǎng)

全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST），又稱為東方超環(huán)，是中國自主研發(fā)的實現(xiàn)可控核聚變重要裝置，用來模擬太陽的核聚變反應(yīng)，被形象地稱為“人造太陽”。

全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置的運行原理就是在裝置的真空室內(nèi)加入少量氫的同位素或氚[chuān]，通過類似變壓器的原理使其產(chǎn)生等離子體，然后提高其密度、溫度使其發(fā)生聚變反應(yīng)，反應(yīng)過程中會產(chǎn)生巨大的能量。

全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置在1998年7月由國家發(fā)展和改革委員會批準(zhǔn)立項，2000年10月正式開工建設(shè)。2006年9月28日，世界上首個全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置首輪物理放電實驗取得成功，標(biāo)志著中國站在了世界核聚變研究的前端。2007年3月1日通過國家竣工驗收。2016年2月，中國EAST物理實驗實現(xiàn)在國際上電子溫度達到5000萬度持續(xù)時間最長的等離子體放電。2018年11月12日，EAST近期實現(xiàn)1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破。2021年5月28日，EAST成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，將1億攝氏度20秒的原紀(jì)錄延長了5倍。同年12月30日晚，EAST實現(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行。2023年4月12日21時，EAST成功創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒。2025年1月20日，EAST在安徽合肥創(chuàng)造新世界紀(jì)錄，首次完成1億攝氏度1000秒“高質(zhì)量燃燒”，標(biāo)志中國聚變能源研究實現(xiàn)從基礎(chǔ)科學(xué)向工程實踐的重大跨越。2026年1月2日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所科研團隊宣布，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）實驗證實托卡馬克密度自由區(qū)的存在，找到突破密度極限的方法，為磁約束核聚變裝置高密度運行提供了重要的物理依據(jù)。

全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置是中國新一代可控核聚變研究裝置，也是全球首個全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置，為國際上最重要的核聚變研究實驗平臺之一。

發(fā)展歷程

研發(fā)背景

上世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)科學(xué)家建成了第一個托卡馬克裝置——由封閉磁場組成“容器”，可以把炙熱的等離子體“托舉”到半空中持續(xù)加熱。這個方法被視為探索、解決未來穩(wěn)態(tài)聚變反應(yīng)堆工程及物理問題的最有效途徑。

上世紀(jì)70年代末，位于合肥蜀山湖畔的等離子體物理研究所將已停機的蘇聯(lián)托卡馬克裝置T-7引入國內(nèi)進行改造。1990年2月，蘇聯(lián)庫爾恰托夫所副所長卡多姆采夫院士給中科院等離子體所時任所長霍裕平院士發(fā)來一封信，提出愿意將已停機的T-7托卡馬克裝置贈送給中科院等離子體所，以便更好地開展合作研究。1991年3月，T-7設(shè)備運抵國內(nèi)，相關(guān)改造和建設(shè)工作也在中科院等離子體所全面鋪開。1994年12月，由T-7改造成的超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7首次獲得等離子體，成為中國第一代超導(dǎo)托卡馬克裝置。

研發(fā)歷程

在HT-7成功運行的基礎(chǔ)上，“九五”國家重大科學(xué)工程大型非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置HT-7U在1998年立項。1998年7月國家計委下達投資（1998）1303號文，同意由中科院主持，中科院等離子體物理所承擔(dān)國家重大科學(xué)工程項目“HT-7U超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置”的建造。2003年10月，為使國內(nèi)外專家易于發(fā)音、便于記憶同時又有確切的科學(xué)含義，HT-7U正式改名為EAST?（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak）。

2006年9月28日，世界上首個全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）首輪物理放電實驗取得成功，標(biāo)志著中國站在了世界核聚變研究的前端。2006年7—10月,在第二次工程調(diào)試中不僅所有工程參數(shù)均達到或超過設(shè)計值而且還成功獲得了首次高溫等離子體放電。在2006年12月—2007年2月第2次物理實驗運行中又在世界上首次在全超導(dǎo)托卡馬克上實現(xiàn)了具有拉長和各種偏濾器位形的高溫等離子體放電。2007年3月1日EAST項目通過了中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會組織的驗收。

2016年2月，中國EAST物理實驗獲又取得重大突破，實現(xiàn)在國際上電子溫度達到5000萬度持續(xù)時間最長的等離子體放電。在2017年物理實驗中,EAST再獲重大突破:在純射頻波加熱、鎢偏濾器等接近?ITER?運行條件下,實現(xiàn)了101.2?s?的穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行,創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。2018年11月12日，從中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院獲悉，EAST近期實現(xiàn)1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破。?

2021年5月28日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，將1億攝氏度20秒的原紀(jì)錄延長了5倍。這一突破進一步證明了核聚變能源的可行性，為邁向商用奠定了物理和工程基礎(chǔ)。同年12月30日晚，EAST實現(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行。2023年4月12日21時，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒，對探索未來的聚變堆前沿物理問題，提升核聚變能源經(jīng)濟性、可行性，加快實現(xiàn)聚變發(fā)電具有重要意義。2025年1月20日，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）在安徽合肥創(chuàng)造新世界紀(jì)錄，首次完成1億攝氏度1000秒“高質(zhì)量燃燒”。

基本原理

全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置的運行原理就是在裝置的真空室內(nèi)加入少量氫的同位素氘或氚，通過類似變壓器的原理使其產(chǎn)生等離子體，然后提高其密度、溫度使其發(fā)生聚變反應(yīng)，反應(yīng)過程中會產(chǎn)生巨大的能量。

核能可以分為兩種，一種是由重原子分裂變成輕原子，期間釋放大量的能量，稱為核裂變，原子彈就是利用了核裂變技術(shù)，目前的核電站也都是利用裂變反應(yīng)。裂變需要的鈾等重金屬元素在地球上含量稀少，而且常規(guī)裂變反應(yīng)堆會產(chǎn)生放射性較強的核廢料，這些因素限制了裂變能的發(fā)展。另一種是由較輕的原子，聚合生成較重的原子，同時釋放大量的能量，稱為核聚變。

如果說重原子核在中子打擊下分裂放出的"裂變能"是當(dāng)今原子能電站及原子彈能量的來源，則兩個氫原子核聚合反應(yīng)放出"核聚變能"就是宇宙間所有恒星（包括太陽）釋放光和熱及氫彈的能源。人類已經(jīng)能控制和利用核裂變能，但由于很難將兩個帶正電核的輕原子核靠近從而產(chǎn)生聚變反應(yīng)，控制和利用核聚變能則需要歷經(jīng)長期的、非常艱苦的研發(fā)歷程。在所有的核聚變反應(yīng)中，氫的同位素氘和氚的核聚變反應(yīng)（即氫彈中的聚變反應(yīng)）是相對比較易于實現(xiàn)的。

氘氚核聚變反應(yīng)也可以釋放巨大能量。氘在海水中儲量極為豐富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚變反應(yīng)中可釋放相當(dāng)于燃燒300公升汽油的能量。海水中氘的儲量可使人類使用幾十億年。氚可在反應(yīng)堆中通過鋰再生，而鋰在地殼和海水中都大量存在。氘氚反應(yīng)的產(chǎn)物沒有放射性，中子對堆結(jié)構(gòu)材料的活化也只產(chǎn)生少量較容易處理的短壽命放射性物質(zhì)。聚變反應(yīng)堆不產(chǎn)生污染環(huán)境的硫、氮氧化物，不釋放溫室效應(yīng)氣體。再考慮到聚變堆的固有安全性，可以說，聚變能是無污染、無長壽命放射性核廢料、資源無限的理想能源。受控?zé)?a href="/hebeideji/7261198139607973947.html">核聚變能的大規(guī)模實現(xiàn)將從根本上解決人類社會的能源問題。

考慮到氘和氚原子核能產(chǎn)生聚變反應(yīng)的條件，若要求氘、氚混合氣體中能產(chǎn)生大量核聚變反應(yīng)，則氣體溫度必須達到1億度以上。在這樣高的溫度下，氣體原子中帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核已完全脫開，各自獨立運動。這種完全由自由的帶電粒子構(gòu)成的高溫氣體被稱為"等離子體"。因此，實現(xiàn)"受控?zé)岷司圩?首先需要解決的問題是用什么方法及如何加熱氣體，使得等離子體溫度能上升到百萬度、千萬度、上億度。但是，超過萬度以上的氣體是不能用任何材料所構(gòu)成的容器約束，使之不飛散的，因此必須尋求某種途徑，防止高溫等離子體逃逸或飛散。具有閉合磁力線的磁場（因為帶電粒子只能沿磁力線運動）是一種最可能的選擇。對不同設(shè)計出的"磁籠"中等離子體運動行為及防止逃逸的研究（即所謂穩(wěn)定性研究），成為實現(xiàn)受控?zé)?a href="/hebeideji/7261198139607973947.html">核聚變的第二個難點。如果要使高溫等離子體中核聚變反應(yīng)能持續(xù)進行，上億度的高溫必須能長時間維持（不論靠聚變反應(yīng)產(chǎn)生的部分能量，或外加部分能量）。或者可以說，等離子體的能量損失率必須比較小。提高磁籠約束等離子體能量的能力，這是論證實現(xiàn)磁約束核聚變的科學(xué)可行性的第三個主要內(nèi)容。除了驗證科學(xué)可行性外，建設(shè)一個連續(xù)運行的聚變反應(yīng)堆還需要解決加料、排廢、避免雜質(zhì)、中子帶出能量到包層、產(chǎn)氚及返送以及由于聚變反應(yīng)產(chǎn)生大量帶電氦原子核對等離子體的影響等一系列科學(xué)和工程上的難題。

基本構(gòu)造

EAST是一個非常復(fù)雜的實驗裝置，它的主要部件有真空室、縱場線圈、極向場線圈、冷屏、外杜瓦、基座等，而這些部件本身也都是一個個復(fù)雜的子系統(tǒng)。簡單來說，EAST主要包含以下部件：

內(nèi)外冷屏　

內(nèi)外冷屏的作用是有效減少EAST超導(dǎo)磁體的熱負(fù)荷，80K的內(nèi)外冷屏設(shè)置在超導(dǎo)磁體與真空室及超導(dǎo)磁體與外真空杜瓦之間，冷屏由液氮或液氦冷卻。

外真空杜瓦　

外真空杜瓦為圓桶狀結(jié)構(gòu)，它分為圓頂蓋、中部環(huán)體和基座三個部分。外真空杜瓦主要為極向場、縱場真空室等部件提供真空環(huán)境，并隔斷外部環(huán)境對這幾個大部件所產(chǎn)生的熱交換，同時它將承受裝置大部件所施加的載荷。

超導(dǎo)縱場線圈　

超導(dǎo)縱場電感線圈是由十六個D形線圈沿環(huán)向均布組成，該系統(tǒng)可在等離子體中心產(chǎn)生3.5T的環(huán)向場，其總安匝數(shù)為30MAT。

真空室　

真空室是由16個D形截面的扇形全硬段焊接而成，有48個窗口供抽氣、診斷、加熱電流驅(qū)動及冷卻通道之用，主要是為熱核聚變反應(yīng)提供了一個超高真空的運行環(huán)境。

超導(dǎo)極向場線圈　

超導(dǎo)極向場線圈是由上下對稱分布的中心螺管和四對大線圈組成，線圈采用CICC導(dǎo)體設(shè)計方案，超導(dǎo)材料為NbTi,并用超臨界4.5K氦迫流冷卻。

裝置概況

超導(dǎo)托卡馬克裝置主機;低溫系統(tǒng);高功率電源系統(tǒng) (縱場、極向場和快速反饋控制電源) ;真空抽充氣系統(tǒng);高功率低雜波驅(qū)動電流系統(tǒng);高功率離子回旋共振加熱系統(tǒng);診斷測量系統(tǒng);總控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及公用輔助設(shè)施及基礎(chǔ)配套 (實驗廳、110k V變電站、水冷、超導(dǎo)實驗室、低溫車間和環(huán)保安全) 等9個重要子系統(tǒng)。

EAST裝置主機部分高11m、直徑8m、重400t，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內(nèi)外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統(tǒng)等6大部件組成。EAST裝置真空室的形狀為D形（非圓截面）。同國際上其他托卡馬克裝置相比，其獨有的非圓截面、全超導(dǎo)及主動冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)3大特性使其更有利于實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)長脈沖高參數(shù)運行。EAST位形與ITER相似且更加靈活。

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物理特點

(1) 全超導(dǎo)。目前世界上正在運行的所有超導(dǎo)托卡馬克均只有縱場磁體是超導(dǎo)磁體, 而EAST是國際上第一個建成并成功進行放電實驗的全超導(dǎo)托卡馬克 (不僅縱場而且極向場磁體也是超導(dǎo)磁體) ;

(2) 非圓小截面:可以實現(xiàn)大拉長和各種偏濾器位形的先進運行模式;

(3) 真空室內(nèi)所有部件不僅可以根據(jù)實驗的進展定期更換, 而且這些部件可主動冷卻或加熱, 滿足穩(wěn)態(tài)運行和實驗要求。

研究進展與成果

在EAST近年來的實驗中，取得了多項重要成果，主要包括：一是獲得了穩(wěn)定重復(fù)的1MA等離子體放電，實現(xiàn)了EAST的第一個科學(xué)目標(biāo)，這也是目前國際超導(dǎo)裝置上所達到的最高參數(shù)，為開展高參數(shù)、高約束的等離子體物理研究創(chuàng)造了條件，標(biāo)志著EAST已進入了開展高參數(shù)等離子體物理實驗的階段。

二是獲得超過400s的2000萬攝氏度高參數(shù)偏濾器等離子體。目前，國際上大部分托卡馬克的偏濾器等離子體持續(xù)時間均在20s以下，歐盟和日本科學(xué)家曾獲得最長為60s的高參數(shù)偏濾器等離子體。中國科學(xué)家針對未來ITER400s高參數(shù)運行的一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，如等離子體精確控制、全超導(dǎo)磁體安全運行、有效加熱與驅(qū)動、等離子體與壁材料相互作用等，開展了全面的實驗研究，通過集成創(chuàng)新，成功實現(xiàn)了411s、中心等離子體密度約2×10m中心電子溫度大于2000萬攝氏度的高溫等離子體。

三是獲得穩(wěn)定重復(fù)超過30S的高約束等離子體放電，是國際上最長時間的高約束等離子體放電，標(biāo)志著中國在穩(wěn)態(tài)高約束等離子體研究方面走在國際前列。高約束等離子體放電是未來磁約束聚變堆首選的一種先進高效運行方式。從20世紀(jì)80年代以來，世界上眾多托卡馬克都在探尋各種方式實現(xiàn)高約束放電、并不斷嘗試延長高約束放電時間。實現(xiàn)長時間高約束放電長期以來一直是國際聚變界追求的目標(biāo)和挑戰(zhàn)極大的前沿課題。目前正在運行的托克馬克的高約束放電時間大都在10s以下，最長的是日本JT-60U裝置（已退役）曾在2003年利用強流中性束加熱實現(xiàn)一次28s的高約束等離子體放電。在EAST實驗中，中國科學(xué)家另辟新法，利用低雜波與射頻波協(xié)同效應(yīng)，在低再循環(huán)條件下實現(xiàn)了穩(wěn)定重復(fù)的超過32s的高約束等離子體放電。中國科學(xué)家所用的方法獨特、經(jīng)濟、有效，為未來ITER提供了一條高效實現(xiàn)高約束放電的新途徑。等離子體自發(fā)旋轉(zhuǎn)的實驗研究獲得重要進展，對國際上重要裝置上的H模旋轉(zhuǎn)速度和等離子體內(nèi)能和電流之間的關(guān)系提出了比較一致的關(guān)系，對預(yù)測未來ITER上的旋轉(zhuǎn)速度提供了重要參考，對進一步理解托卡馬克等離子體自發(fā)環(huán)向動量研究上的邊界條件有重要意義。

四是成功開展離子回旋壁處理，為未來超導(dǎo)托卡馬克高效運行奠定了基礎(chǔ)。利用EAST超導(dǎo)裝置在多種器壁條件下開展了離子回旋清洗，獨立發(fā)展了一系列離子回旋壁處理的研究，取得了一系列令國際目領(lǐng)先的前沿性、創(chuàng)新性研究成果。離子回旋壁處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為EAST壁處理的最有效手段，對EAST超導(dǎo)裝置準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)高參數(shù)運行以及未來ITER高效、安全運行有著現(xiàn)實而深遠的意義。

五是等離子體自發(fā)旋轉(zhuǎn)的實驗研究獲得重要進展，對國際上重要裝置上的H模旋轉(zhuǎn)速度和等離子體內(nèi)能和電流之間的關(guān)系提出了比較一致的關(guān)系，對預(yù)測未來ITER上的旋轉(zhuǎn)速度提供了重要參考，對進一步理解托卡馬克等離子體自發(fā)環(huán)向動量研究上的邊界條件有重要意義。

2026年1月2日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所科研團隊宣布，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）實驗證實托卡馬克密度自由區(qū)的存在，找到突破密度極限的方法，為磁約束核聚變裝置高密度運行提供了重要的物理依據(jù)。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進展》上。科研團隊發(fā)展了邊界等離子體與壁相互作用自組織（PWSO）理論模型，發(fā)現(xiàn)邊界雜質(zhì)引起的輻射不穩(wěn)定性在密度極限觸發(fā)中的關(guān)鍵作用，揭示了密度極限的觸發(fā)機理。依托EAST全金屬壁運行環(huán)境，科研人員利用電子回旋共振加熱和預(yù)充氣協(xié)同啟動等方法降低邊界雜質(zhì)濺射，主動延遲了密度極限和等離子體破裂的發(fā)生。通過調(diào)控靶板的物理條件，降低了靶板鎢雜質(zhì)主導(dǎo)的物理濺射，控制等離子體突破了密度極限，引導(dǎo)等離子體進入新的密度自由區(qū)。實驗結(jié)果與PWSO理論預(yù)測高度吻合，首次證實了托卡馬克密度自由區(qū)的存在。這一創(chuàng)新性工作為理解密度極限提供了重要線索，并為托卡馬克高密度運行提供了重要的物理依據(jù)。這項工作由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所、華中科技大學(xué)、法國艾克斯-馬賽大學(xué)等單位協(xié)作完成。

發(fā)展趨勢

EAST裝置的目標(biāo)是：研究托卡馬克長脈沖穩(wěn)態(tài)運行的聚變堆物理和工程技術(shù)，構(gòu)筑今后建造全超導(dǎo)托卡馬克反應(yīng)堆的工程技術(shù)基礎(chǔ)。瞄準(zhǔn)核聚變能研究前沿，開展穩(wěn)態(tài)、安全、高效運行的先進托卡馬克聚變反應(yīng)堆基礎(chǔ)物理和工程問題的國內(nèi)外聯(lián)合實驗研究，為核聚變工程試驗堆的設(shè)計建造提供科學(xué)依據(jù)，推動等離子體物理學(xué)科其他相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展。

EAST的科學(xué)研究分3個階段實施：第一階段（3～5年）：長脈沖實驗平臺的建設(shè)：第二階段（約5年）：實現(xiàn)其科學(xué)目標(biāo)，為ITER先進運行模式奠定基礎(chǔ)：第三階段（約5年）：長脈沖近堆芯條件下的實驗研究。

評價

與國外同類裝置相比, 項目使用資金最少, 建設(shè)速度最快并在建成后的極短時間內(nèi)就取得了重大實驗進展, 因而受到國際聚變界的高度評價。2006年10月, EAST國際顧問委員會在對現(xiàn)場考察后認(rèn)為, “這一杰出成就是全世界聚變能開發(fā)的重要里程碑”。委員會“對EAST的高質(zhì)量建設(shè)留下了深刻印象。在如此短暫的時間內(nèi)完成設(shè)計、預(yù)研、建設(shè)和試運行, 成就了世界聚變工程的一個非凡業(yè)績。它極明確地預(yù)示著中國對ITER的貢獻”。委員會認(rèn)為:EAST是世界上唯一運行的、擁有與ITER類似的全超導(dǎo)磁體的托卡馬克, 盡管經(jīng)費極少, 但它的快速建成、迅速發(fā)展和首次運行是一個了不起的成就, 展示了中國科學(xué)院團隊在物理和工程方面的能力。

參考資料 >

十年內(nèi)，可控核聚變將在中國“點燈” .百家號.2023-11-30

長三角合力撐起創(chuàng)新脊梁.上觀.2023-11-30

新華全媒+｜我在新春“曬太陽”——走近全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置 .百家號.2023-11-30

我們離可控核聚變還有多遠?.上游新聞.2023-11-30

回眸 | 2006年9月28日，新一代“人造太陽”裝置EAST成功放電.澎湃新聞.2023-11-30

新華全媒+|403秒!中國“人造太陽”獲重大突破.新華網(wǎng).2023-11-30

#人造太陽創(chuàng)1億攝氏....新浪微博.2025-01-20

中國“人造太陽”實驗找到突破密度極限的方法.騰訊.2026-01-02

可控核聚變，離我們還有多遠?.山西新聞網(wǎng).2023-11-30

403秒新紀(jì)錄，中國“人造太陽”如何做到.中國科學(xué)院.2023-11-30

[大國重器-中科院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施]超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置.中國網(wǎng).2023-11-30