項目概述
人造太陽人造太陽是指科學家利用太陽核反應原理，為人類製造一種能提供能源的機器——人工可控核聚變裝置，科學家稱它為“全超導托克馬克試驗裝置”（托卡馬克是“磁線圈圓環室”的俄文縮寫，又稱環流器。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的麵包圈，可用來約束電離子的電漿）。
太陽的光和熱，來源於氫的兩個同胞兄弟——氘和氚（物理學叫氫的同位素）在聚變成一個氦原子的過程中釋放出的能量。“人造太陽”就是模仿的這一過程。氫彈是人們最早製造出的“人造太陽”。但氫彈的聚變過程是不可控的，它瞬間釋放出的巨大能量足以毀滅一切。而“全超導托克馬克試驗裝置”卻能控制這一過程。通過一種特殊的裝置已經可以把氘氚的聚變燃料加熱到四億到五億度的高溫區，然後在這么高的溫度下就發生了大量的聚變反應。目前在世界上最大的托克馬克裝置“歐洲聯合環”上面已經獲得了最大的聚變功率輸出，到了16到17兆瓦。但是只能短暫地運行，也就是這個“磁籠”只能存在幾秒、十幾秒鐘。
研製歷程
人造太陽1939年，美國物理學家貝特證實，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞，結合成一個氦原子核，並釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發現揭示了太陽“燃燒”的奧秘。
20世紀50年代初，蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出磁約束的概念。蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇按照這樣的思路，不斷進行研究和改進，於1954年建成了第一個磁約束裝置。他將這一形如麵包圈的環形容器命名為托卡馬克(tokamak)。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的麵包圈，可用來約束電離了的電漿。
托卡馬克中電漿的束縛是靠縱場(環向場)線圈，產生環向磁場，約束電漿，極向場控制電漿的位置和形狀，中心螺管也產生垂直場，形成環向高電壓，激發電漿，同時加熱電漿，也起到控制電漿的作用。
為了維持強大的約束磁場，電流的強度非常大，時間長了，線圈就要發熱。為了解決這個問題，人們把最新的超導技術引入到托卡馬克裝置中，截至2013年，法國、日本、俄羅斯和中國共有4個超導的托卡馬克裝置在運行，它們都只有縱向場線圈採用超導技術，屬於部分超導。其中法國的超導托卡馬克Tore-Supra體積較大，它是世界上第一個真正實現高參數準穩態運行的裝置，在放電時間長達120秒的條件下，電漿溫度為2000萬攝氏度，中心粒子密度每立方米1.5×1019個。
1985年，美國總統里根和蘇聯總統戈巴契夫，在一次首腦會議上倡議開展一個核聚變研究的國際合作計畫，要求“在核聚變能方面進行最廣泛的、切實可行的國際合作”。戈巴契夫、里根和法國總統密特朗後來又進行了幾次高層會晤，支持在國際原子能機構主持下，進行國際熱核實驗反應堆，即ITER的概念設計和輔助研究開發方面的合作。
1987年春，國際原子能機構總幹事邀請歐共體、日本、美國和加拿大、蘇聯的代表在維也納開會，討論加強核聚變研究的國際合作問題，並達成協定，四方合作設計建造國際熱核實驗堆，並由此誕生了第一個國際熱核實驗堆的概念設計計畫。計畫將於2010年建成一個實驗堆，預期產生熱功率1500兆瓦、電漿電流2400萬安培，燃燒時間可達16分鐘。
隨後，由於蘇聯的解體，計畫受到很大影響，1999年美國的退出使ITER計畫雪上加霜。日本和歐共體國家於是成為支持國際磁約束聚變研究計畫的主體力量。經過多年的努力，ITER工程設計修改方案也終於在2001年6月圓滿完成。根據計畫，首座熱核反應堆將於2006年開工，總造價為約40億歐元。聚變功率至少達到500兆瓦。電漿的最大半徑6米，最小半徑2米，電漿電流1500萬安培，約束時間至少維持400秒。未來發展計畫包括一座原型聚變堆在2025年前投入運行，一座示範聚變堆在2040年前投入運行。
2003年2月18日，美國宣布重新加入這一大型國際計畫，中國也於前一個月正式加入該項計畫的前期談判。19日，國際熱核實驗反應堆計畫參與各方在俄羅斯聖彼得堡決定，將於2013年前在日本、西班牙、法國和加拿大四國中的一個國家中建成世界上第一座熱核反應堆。
2003年12月20日在華盛頓召開的一次非常熱鬧的會議上出現了兩軍對壘的形勢：歐盟、中國和俄羅斯主張把反應堆建在法國的卡達拉齊，而美國、南韓和日本則主張建在日本的六所村。因為沒有選擇加拿大作為反應堆候選國，加拿大政府隨後宣布，由於缺乏資金退出該項目。
ITER的相關會議確定，反應堆所在國出資48%，其他國家各出資10%。目前各項細節談判正在緊鑼密鼓地進行之中，反應堆建在哪裡還沒有最終確定。
儘管ITER計畫採用了最先進的設計，綜合了以往的經驗和成果，比如採用全超導技術，但它的確還面臨重重挑戰。即使它能如期在2013年如期建成，這個10層樓高的龐大機器能否達到預期目標也還是個未知數。諸如探索新的加熱方式與機制為實現聚變點火，改善電漿的約束性能，反常輸運與漲落現象研究等前沿課題，偏濾器的排灰、大破裂的防禦、密度極限、長脈衝H-模的維持、中心區雜質積累等工程技術難關還有待於各國科技工作者群力攻關。即使對ITER的科學研究真的成功了，聚變發電站至少還要30～50年以後才能實現。
人造太陽從20世紀70年代到2013年的50年中，全世界共建造了上百個托卡馬克裝置，在改善磁場約束和電漿加熱上下足了功夫。在20世紀70年代，人們對約束磁場研究有了重大進展，通過改變約束磁場的分布和位形，解決了電漿粒子的側向漂移問題。世界範圍內掀起了托卡馬克的研究熱潮。美國、歐洲、日本、蘇聯建造了四個大型托卡馬克，即美國1982年在普林斯頓大學建成的托卡馬克聚變實驗反應堆（TFTR），歐洲1983年6月在英國建成更大裝置的歐洲聯合環（JET），日本1985年建成的JT-60，蘇聯1982年建成超導磁體的T-15，它們後來在磁約束聚變研究中做出了決定性的貢獻。特別是歐洲的JET已經實現了氘、氚的聚變反應。
1991年11月，JET將含有14%的氚和86%的氘混合燃料加熱到了攝氏3億度，聚變能量約束時間達2秒。反應持續1分鐘，產生了1018個聚變反應中子，聚變反應輸出功率約1.8兆瓦。1997年9月22日創造了核聚變輸出功率12.9兆瓦的新記錄。這一輸出功率已達到當時輸入功率的60%。不久輸出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡馬克上最高輸出與輸入功率比已達1.25。
2014年2月，擁有的世界最大雷射器的美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室所謂的“人造太陽”項目取得重大進展，人造太陽已經可以成功產生熱量，產生的這種熱量是類似恆星核心的熱與力，可以說為人造太陽問世取得突破性進展。美國國家點火裝置的科學家現已通過實驗證明，核聚變反應釋出的能量比燃料(用於引發核聚變反應)吸收的能量多。這項發現標誌著核聚變能源將步入新時代，研究的下一個目標將會是實現“總增益”，即系統產生的能量必須超過進入系統的能量。
工作原理
人造太陽在太陽的中心，溫度高達1500萬攝氏度，氣壓達到3000多億個大氣壓，在這樣的高溫高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，並放出大量能量。幾十億年來，太陽猶如一個巨大的核聚變反應裝置，無休止地向外輻射著能量。
核聚變能是兩個較輕的原子核結合成一個較重的原子核時釋放的能量，產生聚變的主要燃料之一是氫的同位素氘。氘廣泛的分布在水中，每一升水中約含有30毫克氘，通過聚變反應產生的能量相當於300升汽油的熱能。採集氘並使之與相關物質聚變產生能量，就是人造太陽的原理。
中國進度
人造太陽EAST是先進超導托卡馬克實驗裝置（Experimental Advanced superconducting tokmak）的英文縮寫。ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的“超導托卡馬克”。作為聚變能實驗堆，ITER計畫把上億攝氏度、由氘氚組成的高溫電漿約束在體積達837立方米的磁場中，產生50萬千瓦的聚變功率，持續時間達500秒。
EAST於2000年10月正式開工建設，國家投資1.65億元。它是世界上第一個具有非圓截面的全超導托卡馬克，該項目的科學目標旨在探索近堆芯條件下電漿穩態運行模式，從而為未來穩態運行的先進托卡馬克核聚變反應堆提供重要的工程技術和物理基礎。中科院合肥研究院電漿所的科研人員經過8年艱苦努力，於2006年初成功進行了裝置的工程聯調，自2006年9月起開始轉入物理實驗階段，2013年已成功開展了兩輪物理實驗，在全超導磁體穩定運行條件下，獲得了最大電流500千安、9秒重複放電、大拉長比偏濾器電漿等多項實驗成果。
該項目工程在建設過程中自主發展了65項關鍵技術和新技術，形成了一系列技術生長點，創造了多個國內乃至國際第一。如鎧裝電纜超導導體（CICC）是EAST全超導托卡馬克的最重要的核心部件，為了滿足工程需要，電漿所自主生產了EAST所需的總長度達35公里的大電流CICC導體，這不但使中國的CICC製造技術處在世界先進行列，產量達世界第一，同時創造性地發展了無焊瘤管—管對接焊技術、薄壁焊縫超音波檢測技術等一整套大型超導磁體製造工藝，全面提升了中國大型超導磁體設計、製造和綜合實驗測試能力。相關的設計理念和工藝技術創新還包括大型超導磁體的設計和製造、大規模超低溫製冷技術、任意可控的急劇變化大電流設備技術等，這些都屬國內首創並達到國際先進水平。
EAST的成功建設得到國際聚變研究專家的高度評價。由29位國際聚變界權威人士組成的國際顧問委員會在評價意見中指出，“EAST是全世界聚變工程的非凡業績，是全世界聚變能開發的傑出成就和重要里程碑”，“EAST是目前世界上唯一投入運行並擁有類似於即將建設的國際熱核聚變實驗堆（ITER）而採用全超導磁體的托卡馬克裝置。EAST的成功建設和運行為中國平等參加ITER這一重大國際合作奠定了基礎”。
2015年2月10日，中國新一代“人造太陽”實驗裝置(EAST)輔助加熱系統工程通過國家發展改革委組織的國家重大科技基礎設施驗收。這標誌著EAST裝置完成了重大升級改造，其科研水平已達國際磁約束聚變裝置的最前沿，成為未來五年世界上最有能力實現400秒長脈衝高性能放電的聚變裝置之一。
EAST輔助加熱項目組經過長期的艱苦努力，在自主研發過程中，突破了一系列關鍵技術難題，設計、研製了關鍵部件，建成的輔助加熱系統其輸出功率、運行脈衝長度等參數均達到或超過設計指標，擁有完全獨立智慧財產權，其中“低雜波系統性能達到國際領先水平，中性束系統達到國際先進水平。
在此基礎上，EAST將具有運行在1兆安電流、中心電子離子溫度之和達到1億攝氏度的高參數電漿的能力，從而可以在EAST上開展與先進聚變反應堆密切相關的最前沿性的探索研究。同時能為國際熱核聚變實驗堆(ITER)安全運行和穩態實驗提供強有力的支持，從而使我國在穩態高性能電漿物理的科學研究計畫中處於世界前沿地位。
具有一定國際影響力的磁約束受控核聚變主要研究設施（現役/在建）有EAST、HL-2A、HL-2M等。其中，在“中國環流器二號A”（HL-2A）裝置上首次成功實現偏濾器位形托卡馬克運行和高約束模（H-模）放電。這一重大科研成果，使中國在繼歐盟、美國和日本之後，站上了核聚變研究的先進平台。
作為中國磁約束聚變實驗研究史上具有里程碑意義的重大進展，這個成果同時標誌著中國的磁約束聚變科學和電漿物理實驗研究進入了一個接近國際前沿的嶄新階段。在2016年的實驗中，HL-2A首次利用無源間隔波導陣列（PAM）天線在H模條件下實現了低雜波耦合，為ITER低雜波電流驅動天線設計提供了重要數據。
2016年11月4日，中科院合肥物質科學研究院電漿所承擔的國家大科學工程“人造太陽”實驗裝置EAST近日在第11輪物理實驗中再獲重大突破，獲得超過60秒的穩態高約束模電漿放電。EAST因此成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。在純射頻波加熱、鎢偏濾器等條件下，實現穩態高約束模電漿放電，是ITER的基本運行模式之一。
國際磁約束聚變資深專家、日本那珂核融合研究所先進電漿物理研究部主任鐮田裕認為其對未來國際熱核實驗反應堆（ITER）計畫具重要意義。
2017年年7月3日，“東方超環”EAST實現了穩定的101.2秒穩態長脈衝高約束電漿運行，成為世界上第一個實現穩態高約束模式運行持續時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。EAST在近兩年不斷提升裝置能力，在發現先進穩態運行模式中起到重要作用。EAST實驗取得新進展，實現了全非感應穩態H模運行的新紀錄（約50秒）、全非感應穩態運行芯部約束提高、高電子溫度的長脈衝運行大於100秒。
現實意義
人造太陽1952年，當第一顆氫彈爆炸之後，人類製造核聚變反應成為現實，但那只是不可控制的瞬間爆炸。從那個時候開始，科學家們一直在尋找途徑，把氫彈爆炸在某個試驗裝置上面加以控制地讓它發生，然後源源不斷地取出它的核聚變能。50多年的時間過去了，這個夢想一直沒能實現。
根據科學家的分析，如果我們未來能建成一座1000兆瓦的核聚變電站，每年只需要從海水中提取304公斤的氘就可以產生1000兆瓦的電量，照此計算，地球上僅在海水中就含有的45萬億噸氘，足夠人類使用上百億年，比太陽的壽命還要長。實現可控制的核聚變反應，打造一個“人造太陽”，已成為當今世界擋不住的一大誘惑。因為，這可以一勞永逸地解決人類存在的能源短缺問題，豈不幸哉！
人口爆炸性地增長，能源、資源危機步步逼近。這項前無古人的ITER計畫，或許也是一個別無選擇的計畫，將為人類的生存和發展創造又一個“太陽”。雖然這個“太陽”離我們還有一段距離，有人估計需要50―100年，不過可以相信，“人造太陽”普照人間的這一天終將來臨。
