追梦逐日四十年
2018科普创客大赛复赛成人组晋级作品。
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2018年7月15日，碧水环绕的中国合肥科学岛上。在泰国诗琳通公主的见证下，中国科学院等离子体物理研究所赠送的HT-6M托卡马克实验装置，正式交付给了受赠方泰国核技术研究所。曾经为等离子体所立下汗马功劳的HT-6M装置，即将远渡重洋为人类的科学事业发挥余热。简朴的赠送仪式看似平淡无奇，对于即将迎来四十华诞的中科院等离子体所却着别样的意义。历经四十年的不懈探索，这个精英科研集体已经从奋力追赶的后来者，一跃成为了磁约束受控核聚变研究领域的领路人。
中国科学院等离子体物理研究所向泰国赠送HT-6M托卡马克实验装置。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
逐日有梦的1970年代：启动“八号工程”
E=MC2，仅仅用如此简约的方程，科学大师爱因斯坦就揭示了太阳的一大秘密。从本质上看，太阳是一个巨大的氢元素等离子体圆球。在数千亿个大气压和1500万度高温的作用下，太阳内部的大量氢原子核不停聚变成氦原子核。核聚变反应中失去的微小质量，转化并汇集成了照亮整个太阳系的光与热。仅仅收受了其中22亿分之一的能量，地球便足以养育世间万物和人类文明。
图太阳的巨大能量来源于核聚变反应。（图片来源：维基百科）
作为宇宙中含量最丰富的元素之一，氢及其同位素几乎是用之不竭的资源。与总是让人提心吊胆的核裂变电站相比，核聚变反应的过程和产物也要清洁得多。对于永远渴求更多能源的人类来说，如果掌握了利用核聚变发电的技术，我们就拥有了一颗光热无限的“人造太阳”。
由于都带有正电荷，氢原子核之间有着强烈的斥力。只有驱使它们彼此接近到飞米级的超近距离之内，它们之间的核力才足以克服斥力，我们期待的核聚变反应才会发生。在极高的温度与压力之下，氢原子核在极速运动中相互接近并聚合，是太阳可以维持核聚变反应的关键所在。为了模仿太阳内部的苛刻环境，科学家们使用原子弹作为引爆装置，成功地引发了氢弹中的核聚变反应。由于引爆温度高达上亿度，核聚变反应因此也被称为热核反应。
氢弹的威力源自人工引发的不受控核聚变。（图片来源：slate）
氢弹的威力固然恐怖，这种短暂的不受控核聚变却只能带来毁灭和灾难。如何才能实现受控的核聚变，让它成为人类可以信赖的终极能源？1957年，英国物理学家劳森提出了著名的“劳森判据”：核聚变反应的三个条件是密度、温度和约束时间，三者的乘积大于特定数值才能保证受控核聚变的发生。
氢元素共有氕、氘和氚三种同位素，其中氘与氚原子核之间最容易发生聚变。由于无法重现太阳内部的压力和密度，受控氘氚核聚变需要更高的温度才能成功，具体实现条件就是人们常说的“一亿度，1000秒”。从20世纪50年代开始，这两个数据一直是受控核聚变研究者们梦寐以求的目标。
如果能实现氘、氚两种原子核间的受控核聚变，人类就拥有了“人造太阳”。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
在现在和可以预见的将来，人类都不可能拥有能够耐受一亿度高温的材料。科学家们因此想出了两种约束高温核聚变材料的方法。其一是激光惯性约束，就是利用高能激光挤压装有氘、氚气体的小球，以此产生高压和高温并引发核聚变。其二是磁约束，就是用强大的磁场困住组成氘、氚等离子体的带电粒子。只要温度足够高，约束时间足够长，磁场中的氘、氚原子核便会发生聚变。
1954年，苏联物理学家阿奇莫维奇制造了世界上第一个托卡马克(tokamak)装置，由于表现出了良好的实验性能和研究前景，托卡马克很快便成为了最流行的受控核聚变实验装置。然而直到1974年，中国的第一台小型托卡马克CT-6才终于在北京诞生。在磁约束受控核聚变研究领域，中国科学家们是姗姗来迟的后来者，他们却绝不甘心祖国在如此重要的科研领域永远落后。
1974年，中国建成第一个小型托卡马克装置CT-6。（图片来源：sciencenet）
以陈春先为代表的CT-6科研团队，很快便有了一个更加高远的目标，那就是依托合肥当时的“八号电感”大型储能电感装置，建设一个具有世界先进水平的大型托卡马克装置。1978年9月20日，中国科学院等离子体物理研究所应运而生，史称“八号工程”的大型托卡马克项目也驶入了建设快车道。
陈春先（右一）和同事站在CT-6托卡马克装置前。陈春先是CT-6项目的带头人，也是中科院等离子体所的创始人之一。
（图片来源：新浪）
陈春先、严陆光、邱励俭、季幼章等一大批前辈科学家，以及薪火相传的几代等离子体所人，从此踏上了四十年不懈追寻中国“人造太阳”的艰辛征程。如果说他们的西方同行是矢志盗火的普罗米修斯，这群可敬的中国科研人员就是有着逐日之梦的东方夸父。
筚路蓝缕的1980年代：从HT-6A到HT-6M
为了驯服狂野的高温等离子体，科学家们曾经设想过磁镜、仿星器、反场箍缩等一系列磁约束装置。不过，托卡马克装置才是磁约束受控核聚变领域的一号主角。托卡马克(tokamak)这个名字，源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)这几个名词的组合。顾名思义，托卡马克装置的核心是一个环形真空室，中心安装了用于加热等离子体的螺线管线圈，真空室外围还有约束等离子体的纵场线圈和极向场线圈。
托卡马克装置的内部结构示意图。（图片来源：ciencia）
当托卡马克放电工作的时候，流转在纵场线圈和极向场线圈的强大电流，产生形如甜甜圈的高强度环形磁场，约束真空室里的高温氘氚等离子体并引发核聚变反应。由于设计巧妙而且相对容易建造，加之苏联科学家们的不断改进，托卡马克装置很快就取得了骄人的成绩。20世纪60年代末，苏联的T-3托卡马克装置将等离子体加热到了1000万度，性能远超同时期的其他磁约束实验装置。此后，世界各大科技强国开始竞相建设托卡马克装置。
作为中国受控核聚变研究的未来中坚力量，刚刚组建的中科院等离子体所也是坚定的托卡马克拥护者。随着“八号工程”的实验大厅、工厂车间、配套变电站一一建成，科学家们和施工人员在忙碌中迎来了1980年代。就在中国第一个大型托卡马克装置渐行渐近，等离子体所人热切期待品尝这个大号“甜甜圈”的时候，命运却和他们开了一个残酷的玩笑。
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时任等离子体所副所长的李凤楼先生，在八号工程奠基典礼上讲话。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
1980年1月，中央决定停建“八号工程”，失去核心科研项目的等离子体所顿时陷入了危难的境地。面对突如其来的变化，全体等离子体所人依然坚守念兹在兹的“人造太阳”之梦。既然大型托卡马克装置的建设暂时不再可行，那么就先从中小型装置的研究做起吧。当时北京的CT-6已经进行了改造，等离子体所利用CT-6换下的旧真空室建起了HT-6A托卡马克。型号开头的”HT“意为”合肥托卡马克“，6则表示纵场线圈的储能约为106（一百万焦耳）。这个真空室大半径只有45厘米的”小家伙“，成为了等离子体所四十年辉煌历程的真正起点。
HT-6A装置是中科院等离子所的第一个托卡马克装置。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
由HT-6A改造而成的HT-6B托卡马克装置。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
作为等离子体的第一个托卡马克装置，HT-6A的运行并不算顺利。在将其改造成HT-6B装置的同时，科学家们也开始研制较大的HT-6M托卡马克装置。1982年完成升级的HT-6B托卡马克运行稳定，取得了等离子体温度100万度、约束时间8毫秒的成果，并为HT-6M的建成和运行积累了宝贵的经验。
中科院等离子体所的第二代托卡马克装置HT-6M。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
1985年初，等离子体所的第二代托卡马克装置HT-6M开始运行。HT-6M装置的设计参数远比HT-6B出色，达到了电子温度900万度，持续放电时间150毫秒，新工艺制造的真空室也实现了前所未有的超高真空度，这一切使得HT-6M很快取得了一系列喜人成果。在2002年退役之前，HT-6M托卡马克装置还扮演着受控核聚变研究国际合作平台的角色。与各国同行的广泛交流和相互学习，开启了等离子体所人更加广阔的视野和更加远大的雄心。
国际同行拍摄的HT-6B实验安排黑板，当时的科研条件之艰苦可见一斑。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
中流击水的1990年代：HT-7“合肥超环”万里而来
20世纪7、80年代，以欧洲JET、日本JT-60 、美国TFTR为代表的多个大型托卡马克项目相继建成。其中欧洲的JET装置，还创造了功率增益因子Q值大于1的历史，这意味着受控核聚实验装置的输出功率第一次超过了输入功率。这个重大成果证明了受控核聚变发电的可行性，也旁证了托卡马克“装置越大，取得的参数越好“这一实验规律。想要实现核聚变研究水平的追赶与超越，中国就必须拥有更大、更先进的托卡马克装置！
欧洲JET大型托卡马克装置，它是第一个实现Q值超过1的受控核聚变实验装置。（图片来源：维基百科）
然而，由于需要约束的等离子体温度更高、尺寸更大，大中型托卡马克装置需要产生更强的磁场，每一个线圈中就必须通过更大的电流。常规线缆材料都有电阻，即便把导线做得再粗也很难解决发热问题，严重制约了大型托卡马克装置的发展。低于转变温度的超导线缆电阻为零，用以绕制线圈可以支持更大的电流，能够显著提高托卡马克装置的性能。引入超导材料制作磁体，必然会成为托卡马克建造技术的一个重要趋势。遗憾的是，无论是较大托卡马克装置的建造，还是超导磁体的制造和冷却技术，对于等离子体所乃至中国科技界来说都是全新的课题。
1990年初，命运对苦苦追寻“人造太阳”的等离子体所人露出了微笑。建于1979年的苏联T-7，是世界上第一个超导托卡马克装置。由于后继又建造了更大的T-15装置，T-7从1985年起便基本闲置了。时值庞大的苏联帝国风雨飘摇之际，管理T-7装置的俄罗斯库尔恰托夫研究所所长卡多姆采夫院士致信中国同行，有意赠送价值1500万美元的T-7装置。
俄罗斯库尔恰托夫研究所所长卡多姆采夫院士，是他促成了苏联将T-7托卡马克装置赠送给中科院等离子体所。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
辗转接到这封异国来信之后，霍裕平所长和等离子体所的同事们很快达成共识：中止已经完成工程设计的非超导托卡马克项目，在没有国家立项的情况下自筹资金，砸锅卖铁也要把T-7请回来！1990年10月，等离子体所用几车皮的轻工产品为T-7“赎了身”。1991年6月，T-7装置的所有部件运抵等离子体所。如同难舍爱女远嫁的老父一般，卡多姆采夫院士也亲身来到合肥，参与了T-7装置的后继改造与建设工作。
初始设计的T-7仅开了12个小窗口，难以开展全面的等离子体核聚变实验，中国科学家们将原有的48个纵场线圈合并为24个，在真空室上新增了34个观察窗口，设计安装了多种实验观测新设备，建成了低温液氦、大功率电源等九个子系统……
1993年，接受自苏联的HT-7装置主机进入8-1大厅开始总装，该装置的真空室已经进行了根本性的改造。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
凤凰涅磐的T-7，变身成为等离子体所的第三代托卡马克装置HT-7。真空室大半径1.22米、小半径（等离子体半径）30厘米的HT-7，规模与真正的大型托卡马克装置相比还有一定差距。不过，它的建成却使中国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克的国家。作为落户合肥的中国第一个超导托卡马克装置，HT-7也被建设者们自豪地称为“合肥超环”。
托卡马克真空室截面示意图。通常来说，真空室尺寸越大，托卡马克性能越好。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
1993年，由12名各国著名专家组成的国际评估小组，盛赞建设中的HT-7是“发展中国家最先进的托卡马克装置，使得中国的核聚变研究水平接近世界前沿”。HT-7建成之后，纷至沓来的各国科研合作伙伴，证明了这一评价绝非客套的溢美之词。
投入运行的HT-7托卡马克实验装置。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
1994年8月，HT-7项目纳入了国家大科学工程管理。因为项目建设导致资金捉襟见肘的等离子体所，终于能够按时给所里的职工发工资了。1995年初，顺利建成的HT-7正式投入实验，开始执行研究长脉冲或准稳态高温等离子体的使命，一批批世界级的科研成果随之不断涌现。2008年3月15日，HT-7超导托卡马克装置成功实现了第100000次放电。短短几天之后的3月21日，老当益壮的HT-7又交出了一份更精彩的成绩单：等离子体放电时间400秒，电子温度1200万度。
2008年3月21日，HT-7装置实现等离子体放电时间400秒，电子温度1200万度。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
2013年5月，累计放电118000次的HT-7装置功成身退。这个有着传奇身世的超导托卡马克装置，不仅为中国的受控核聚变研究赢得了国际声誉，还超出预期地完成了它的另一个重要使命：在成就HT-7辉煌的过程中，等离子体所的科研团队也随之成长起来，并且积累了足以迎接更大挑战的经验、实力与勇气。HT-7不仅是一段激情岁月的里程碑，也是全体等离子体所人继续前行的新起点。
建设运行等离子体所第三代托卡马克装HT-7的科研团队。
勇立潮头的21世纪：EAST“东方超环”横空出世
就在HT-7装置成功改造并顺利运行之际，等离子体所已经开始谋划自己的第四代托卡马克。1997年6月，中国国务院科技政策领导小组批准HT-7U大科学工程立项建设，等离子体所承担起了设计建造中国第一个、也是世界第一个全超导大型托卡马克装置的重任。2003年10月，建设者们给HT-7U起了一个更加响亮好记的名字：Experimental Advanced Superconducting Tokamak(先进超导托卡马克实验装置)。不知是出于巧合还是自有深意，这个名字的缩写“EAST”在英语中意为“东方”，EAST装置因此也有了“东方超环”的霸气别名。
“东方超环”EAST的内部构造。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
从开工建造的那一天起，“东方超环”EAST就创下了许多项激动人心的第一。为了改善等离子体的约束效率，EAST设计了横截面为“D”形的真空室，成为世界上第一个非圆截面真空室的托卡马克装置；为了承载产生超强磁场的超大电流，EAST的14个极向场线圈和16个纵场线圈全部使用铌钛材料绕制，在世界上第一次实现了全超导磁体的托卡马克设计；为了实现液氦的循环使用，时刻让重达两百多吨的磁体系统保持“冷静”，EAST首创了采用液氦无损耗设计的超导磁体冷却系统；EAST还是世界上第一个拥有主动冷却装置的托卡马克装置，能够将实验反应产生的热量传递到外部冷却塔。在未来的实用受控核聚变装置中，只要将冷却塔换成汽轮机便可以发电……
EAST托卡马克的D形横截面真空室。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
EAST装置的极向场线圈和D形纵场线圈均用铌钛超导线缆绕制。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
正在紧张总装的“东方超环”EAST装置。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
为了造就EAST装置在世界托卡马克发展史上的诸多第一，中国科学家们自主发展了65项关键技术和新技术，在5年多的建设过程中付出了无数心血和汗水。2006年初，耗资超过5亿的“东方超环”EAST装置建成，它是世界上第一个可以实现稳态运行、具有全超导磁体的托卡马克装置。
建设完成的EAST是一个重达400吨的庞然大物。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
为了实现“一亿度，1000秒”这个“小目标”，EAST装置既是一个主机高11米、直径8米，重达400吨的庞然大物，也是一个拥有超导磁体、超高真空、超级温度、超大电流、超强磁场的超级大科学装置。EAST装置的每一次启动运行，都是一次人类科学智慧和工程技术的极致表演。上万安培的强大电流在EAST长达30多千米的超导线缆中奔涌不息，产生强度高达3.5特斯拉的环形磁场。真空室中的等离子体核聚变材料被加热到几千万度甚至上亿度，却与外围被冷却到零下269度的超导磁体，在仅仅1.2米的距离之内奇妙而和谐地共存。冷静的外表和炽热的内心，属于横空出世的“东方超环”EAST，更属于每一位跋涉在逐日之路上的中国科学家。
温度接近零下269度的超导磁体，与真空室内几千万度的等离子体“人造太阳”之间，只有1.2米的距离。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
2006年9月， EAST装置顺利实现首次放电实验，成功获得电流大于200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。2012年，EAST装置获得超过400秒的两千万度高参数偏滤器等离子体，获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电，一举创造了两项托卡马克装置的运行世界纪录；2016年1月，EAST成功实现电子温度超过5千万度、持续时间102秒的超高温长脉冲等离子体放电；2017年7月，EAST实验团队再次挑战自我，实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行， EAST成为世界上第一个实现百秒量级持续时间、以稳态高约束模式运行的托卡马克装置；2018年，EAST实验团队又创佳绩，成功地将等离子体的中心电子温度加热到了一亿度......
2018年，EAST成功实现1亿度等离子体放电。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
以EAST为平台，中国科学家与国际同行开展了广泛合作。（图片来源：中国科学院等离子体物理研究所）
2013年10月，来华访问的俄罗斯总理梅德韦杰夫，专程参观了位于合肥科学岛的“东方超环”EAST。从EAST伟岸的外形上，这位远道而来的贵宾或许还能依稀回忆起T-7当年的风采。然而，俄罗斯的T-15托卡马克装置已经停用多年，最早要到2019年才能重新改造运行。作为后起之秀的EAST却名满天下，成为磁约束受控核聚变研究的主要国际平台之一。“萧瑟秋风今又是，换了人间”，从HT-6A、HT-6M到HT-7再到“东方超环”EAST， 40年奋斗不已的等离子体所科研集体，终于实现了从“跟跑者”、“并跑者”到“领跑者”的艰难转变，自豪地站在了世界受控核聚变研究领域的最前沿。
俄罗斯总理梅德韦杰夫参观“东方超环”EAST。（图片来源:新华网）
电子温度一亿度、101.2秒，与“一亿度，1000秒”还有着遥远的距离，中科院等离子体所的逐日之梦依然前路漫漫。一直在路上的等离子体所科研集体，一方面承接了国际热核聚变实验堆ITER计划的多项重要工作，一方面与国内同行们共同启动了中国聚变工程实验堆CFETR项目。由于历史的原因，中国科学家们错过了蒸汽机时代的工业革命，也错过了电气时代的第二次工业革命，他们却注定将成为受控核聚变时代的弄潮儿。中国“人造太阳”点亮万家灯火的那一刻，相信不会让我们等待得太久。
中国聚变工程实验堆CFETR，会成为第一个中国“人造太阳”吗？
