控核聚变还有多久可以成功?我国在可控核聚变领域技术属于哪个梯度?刚刚成功放电的HL-2M是什么水平?和已运行的EAST“人造太阳”有什么区别?我国的核聚变发展的历史、现状和未来规划又是如何?相信广大网友在关注核聚变的同时，或多或少会对这些问题比较好奇。作为深处核聚变研究一线的“打工人”，为大家分享解读：我国“人造太阳”之路的前世今生。
正文之前，先广告一下：小编本人在核聚变领域工作十几年，先后参与过我国的EAST, KTX，CFETR，法国的WEST，欧盟的EU-DEMO等多个聚变装置的相关设计工作。目前，作为中方科技人员，参与国际热核聚变试验堆ITER的建设，在ITER总部工作。
上世纪90年代前，以小型托卡马克为主
我国核聚变能研究始于世纪60 年代初，从70 年代开始，集中选择了托卡马克为主要研究途径，先后建成并运行了小型装置CT-6(中国科学院物理研究所)、KT-5(中国科学技术大学)、HT-6B(中国科学院等离子体物理研究所)、HL-1(核工业西南物理研究院)、HT-6M(中国科学院等离子体物理研究所)。在这些装置的成功研制过程中，组建并锻炼了一批聚变工程队伍。中国科学家在这些托卡马克装置上开展了一系列重要研究工作。
1985年1月18日，时任中科院院长的周光召同志来所参加HT-6M的运行典礼，并发表讲话
上世纪90年代，开始发展中型托卡马克
自上世纪90 年代以来，我国开展了中型托卡马克发展计划，探索先进托卡马克经济运行模式和托卡马克稳态运行等问题。
1994 年，核工业西南物理研究院建成了HL-1M装置，用反馈控制取代了原来的厚铜壳，进行了弹丸注入和高功率辅助加热以及高功率非感应电流驱动下的等离子体研究。HL-1M装置综合性能指标达到了国际同类型同规模装置的先进水平，其实验研究数据列入ITER实验数据库。
HL-1M装置
中国科学院等离子体物理研究所同时建成并运行了世界上超导装置中第二大的HT-7 装置，在围绕长脉冲和稳态等离子体物理实验方面做了大量的工作，已经获得400 s、1000 万度等离子体。HT-7总共运行了17年，累计完成了10万次放电，2013年5月，HT-7正式被中国科学院和国家环保部批准退役，成为我国首个获批退役的大科学工程装置。
科研人员与HT-7合影
参与核聚变研究的高校们
随着我国开始谈判加入ITER 计划，高校的磁约束核聚变等离子体物理研究开始陆续恢复和发展，最有代表性的是中国科学技术大学和华中科技大学。
华中科技大学通过国际合作，于2008 年完成了TEXT-U 托卡马克装置(现更名为J-TEXT)的重建工作，近年来，在该装置上探索各种新思想、新诊断、新技术，培养聚变人才。北京大学、清华大学、上海交通大学、浙江大学、大连理工大学、四川大学、东华大学、北京科技大学、北京航空航天大学等学校的研究人员开展了托卡马克等离子体湍流与输运过程、磁流体不稳定性、快粒子物理、波与等离子体相互作用、等离子体与壁相互作用、聚变堆材料和聚变工程技术等方面的研究，培养了一批研究生和年轻研究人员，并取得了一些很好的成果。
KTX反场箍缩装置
中国科学技术大学，是承担ITER 计划专项国内研究最重要的高校之一，承担了“托卡马克等离子体基本理论与数值模拟研究”、“托卡马克等离子体诊断技术研究”、“反场箍缩磁约束聚变位形研究”、“聚变堆燃烧等离子体诊断关键技术研究”等项目。目前，科大已建成反场箍缩(KTX)装置，其主要的科学目标之一就是从实验上进一步检验这个磁约束等离子体演化的新理论。KTX 设计目标为：半径比3.625(R/r=1.45 m/0.4 m)，最大等离子体电流1MA，无反馈时放电时间10-30 ms，主动反馈控制时间100 ms。
KTX反场箍缩装置(中科大)
J-TEXT托卡马克
J-TEXT托卡马克是华中科技大学引进德克萨斯大学(奥斯丁)的聚变实验装置TEXT-U 建造的。从2003 年开始在国内恢复重建工作，到2007 年9月实现了第一次等离子体放电。该装置具有偏滤器位形和电子回旋共振加热系统，运行区间从欧姆加热模式、低约束模式和限制器下高约束模式扩展到了偏滤器运行模式、射频加热下的高约束模式等。
德克萨斯大学(奥斯丁)的TEXT-U装置
该装置的主要参数为：大环半径105 cm，等离子体截面半径30 cm，环向场磁感应强度3.0 T，环向等离子体电流300 kA。J-TEXT托卡马克是目前国内高校中唯一的中型托卡马克聚变实验装置，专门用于培养核聚变技术人才和进行基础性前沿性的物理实验研究，成为ITER 的人才培养、培训和磁约束聚变基础研究的主要实验平台。
两个重要的装置
我国核聚变研究的主力军是两个研究所，即：核工业集团公司所属的核工业西南物理研究院、中国科学院所属的等离子体物理研究所。与这两个研究所对应的是两个对我国聚变研究非常重要的托卡马克装置。
中国环流器二号A(HL-2A)
中国环流器二号A(HL-2A)是核工业西南物理研究院利用德国ASDEX装置主机3 大部件配套改建而成。1999 年正式动工建设，2002 年11 月中旬获得初始等离子体。
HL-2A装置的使命是研究具有偏滤器位形的托卡马克物理，包括高参数等离子体的不稳定性、输运和约束，探索等离子体加热、边缘能量和粒子流控制机理，发展各种大功率加热技术、加料技术和等离子体控制技术等，通过对核聚变前沿物理课题的深入研究和相关工程技术发展，全面提高我国核聚变科学技术水平，为中国下一步研究与发展打好坚实的基础。
与HL-1M以及当时的国内其他装置不同，该装置具有由相应的线圈和靶板组成的偏滤器，可以运行在双零或单零偏滤器位形。这对开展高约束模(H 模)物理和边缘物理研究及提高等离子体参数是非常关键的。
HL-2A装置大功率加热系统包括电子回旋加热、低杂波和中性束注入系统。电子回旋共振系统用6 个回旋管作为微波源，最大功率为3 MW，频率分别为68 GHz、140 GHz。中性粒子束系统的注入功率为3MW，中性粒子能量为30-50 keV。超声分子束注入(SMBI)是中国的一项重要原创技术。
我国环流2号A(HL-2A)装置
HL-2A装置自运行以来，取得了很多新的研究成果。除了在电子回旋加热实验中获得了4.9 keV的电子温度，在中性束加热条件下得到了2.5 keV的离子温度等高参数外，成功实现了高约束模(H模)放电(图3)，能量约束时间达到150 ms，等离子体总储能大于78 kJ，在H模物理研究中，观测到在L-H转换过程中存在两种不同的极限环振荡，分别称为原(Y)型、进(J)型和完整的动态演化过程。这为L-H模转换的理论和实验研究提供了新的思路。首次观测到测地声模和低频带状流的三维结构;利用超声分子束调制技术发现了自发的粒子内部输运垒，为等离子体输运研究提出了新的课题，在湍流、带状流和输运研究中，观测到在强加热L 模放电中高频湍流能量向低频带状流传输，为理解功率阈值提供了新的思路。运用电子回旋波加热方式主动控制撕裂膜，改善等离子体约束。HL-2A 上开展的一系列前沿性实验研究对于中国核聚变事业做出了创新性的贡献。
东方超环(EAST)
在HT-7 成功运行的基础上，“九五”国家重大科学工程——大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST)，也就是广为人知的“人造太阳”，由中国科学院等离子体物理研究所于2000 年10 月开工建设。2006 年3月完成建造，并于2006年9月获得初始等离子体。
EAST 装置主机部分高11 m、直径8 m、重400 t，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等6 大部件组成。EAST 装置真空室的形状为D形(非圆截面)。同国际上其他托卡马克装置相比，其独有的非圆截面、全超导及主动冷却内部结构3 大特性使其更有利于实现稳态长脉冲高参数运行。EAST位形与ITER 相似且更加灵活。
我国EAST装置：世界首个全超导托卡马克
EAST 装置的目标是：研究托卡马克长脉冲稳态运行的聚变堆物理和工程技术，构筑今后建造全超导托卡马克反应堆的工程技术基础。瞄准核聚变能研究前沿，开展稳态、安全、高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理和工程问题的国内外联合实验研究，为核聚变工程试验堆的设计建造提供科学依据，推动等离子体物理学科其他相关学科和技术的发展。
在EAST 近年来的实验中，取得了多项重要成果，主要包括：
2009年，获得稳定重复的60秒等离子体放电
2010年，实现了100秒长脉冲等离子体放电
2012年，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
2014年，首次实现重复的完全抑制边界局域模稳态长脉冲高约束等离子体
2015年，验证辅助加热系统运行能力，实现两套中性束系统首次协同注入
2016年1月，实现了电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电
2016年11月，获得超过60秒的完全非感应电流驱动(稳态)高约束模等离子体，成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置
2017年7月，实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录。
2018年11月，等离子体中心电子温度首次达到1亿度。
目前EAST装置装备了30 MW以上的辅助加热和电流驱动系统以及近80 项诊断系统，绝大多数系统均具备高参数稳态运行的能力，可开展先进聚变反应堆的前沿性、探索性研究，为聚变能的前期应用提供重要的工程和物理基础。
EAST是达到国际先进水平的新一代磁约束核聚变实验装置。作为国家重大科学工程之一，EAST的成功建设和物理实验使中国在磁约束聚变研究领域进入世界前沿，使中国成为世界上重要的聚变研究中心之一。
最新建成的HL-2M
HL-2M(中国环流器二号M)装置是HL-2A的改造升级装置，于2020年12月4日，首次放电成功。HL-2M装置的建造目的是研究未来聚变堆相关物理及其关键技术，研究高比压、高参数的聚变等离子体物理, 为下一步建造聚变堆打好基础。在高比压、高参数条件下，研究一系列和聚变堆有关的工程和技术问题。瞄准和ITER物理相关的内容，着重开展和燃烧等离子体物理有关的研究课题,包括等离子体约束和输运、高能粒子物理、新的偏滤器位型、在高参数等离子体中的加料以及第一壁和等离子体相互作用等。
HL-2M设计模型
HL-2M装置的磁体由20个环向场线圈，欧姆场线圈和16个极向场线圈组成。环形真空室截面呈D形。真空室内安装上下偏滤器、第一壁及被动控制导体组件等。改造后的HL-2M装置有以下特点：1)具有大的拉长比和三角形变的等离子体截面，具备获得高比压等离子体的基本条件;2)较小的纵横比，环向场较小的情况下，可以达到3MA的等离子体电流;3)配建大功率加热系统，以提高等离子体温度和控制等离子体行为，有效控制高比压等离子体中的主要磁流体不稳定性，包括新经典撕裂模，边缘局域模，垂直不稳定性和破裂不稳定性等。另外新建一套脉冲容量为300MVA的飞轮脉冲发电机组，建设与HL-2M装置主机相匹配的磁场电源系统。
改造升级后的HL-2M装置能够运行在先进的位形下，并具备更强的二级加热功率，尤其是中性束加热，从而开展聚变堆和ITER物理相关的聚变科学研究。作为可开展先进托卡马克运行的一个受控核聚变实验装置，HL-2M将成为中国开展与聚变能源密切相关的等离子体物理和聚变科学研究的不可或缺的实验平台。充分发挥和利用装置平台灵活、可近性好的特点，结合ITER工程建造和即将开展的物理实验研究以及国际聚变能研究发展的最新最近成果，在该装置上开展与聚变能研究相关的物理实验。
未来10年中国托卡马克发展的展望
未来十年，重点在国内磁约束的两个主力装置EAST、HL-2M 上开展高水平的实验研究。
EAST 目前基本完成了升级，研究能力和实验条件有了大幅度的提高，可以开展大量的针对未来ITER和下一代聚变工程堆稳态高性能等离子体研究，实现磁场稳定运行在3.5 T，等离子体电流1.0 MA，获得400 s 稳定、可重复的高参数近堆芯等离子体的科学目标，成为能为ITER 提供重要数据库的国际大规模先进试验平台。结合全超导托卡马克新的特性，探索和实现两到三种适合于稳态条件的先进托卡马克运行模式，稳态等离子体性能处于国际领先水平。在此阶段，将重点发展专门的物理诊断系统，特别是对深入理解等离子体稳定性、输运、快粒子等密切相关的物理诊断。在深入理解物理机制的基础上，发展对等离子体剖面参数和不稳定性的实时控制理论和技术，探索稳态条件下的先进托卡马克运行模式和手段。实现高功率密度下的适合未来反应堆运行的等离子体放电，为实现近堆芯稳态等离子体放电奠定科学和工程技术基础。同时需对装置内部结构进行升级改造，以满足稳态高功率下高参数等离子体放电的要求。
在未来几年内，HL-2M装置将完成升级，具有良好的灵活性和可近性的特点，进一步发展20—25 MW左右的总加热和电流驱动功率，着重发展高性能中性束注入NBI系统(8—10 MW);增加电子回旋、低杂波的功率，新增2 MW电子回旋加热系统。利用独特的先进偏滤器位型，重点开展高功率条件下的边界等离子体物理，特别是探索未来示范堆高功率、高热负荷、强等离子体与材料相互作用条件下，粒子、热流、氦灰的有效排除方法和手段，与EAST形成互补。
在我国的 “东方超环”、“中国环流器2M”托卡马克装置上开展与CFETR 物理相关的验证性实验， 为CFETR 的建设奠定坚实的基础。在“十三五”后期，开始独立建设20—100 万千瓦的聚变工程实验堆，在2030年前后建成CFETR。
CFETR 相较于目前在建的ITER，在科学问题上主要解决未来商用聚变示范堆必需的稳态燃烧等离子体的控制，氚的循环与自持，聚变能输出等ITER 未涵盖内容;在工程技术与工艺上，重点研究聚变堆材料、聚变堆包层及聚变能发电等ITER 不能开展的工作;掌握并完善建设商用聚变示范堆所需的工程技术。CFETR 的建设不但能为我国进一步独立自主地开发和利用聚变能奠定坚实的科学技术与工程基础，而且使得我国率先利用聚变能发电、实现能源的跨越式发展成为可能。
未来聚变堆关键设施预研平台(合肥，在建)
未来聚变堆关键设施预研平台(合肥，概念图)
我国未来聚变发展战略应瞄准国际前沿，广泛利用国际合作，夯实我国磁约束核聚变能源开发研究的坚实基础，加速人才培养，以现有中、大型托卡马克装置为依托，开展国际核聚变前沿课题研究，建成知名的磁约束聚变等离子体实验基地，探索未来稳定、高效、安全、实用的聚变工程堆的物理和工程技术基础问题。以建立近堆芯级稳态等离子体实验平台，吸收消化、发展与储备聚变工程实验堆关键技术，并设计、聚变工程实验堆关键部件预研等为近期目标(2015—2023 年);以建设、运行聚变工程实验堆，开展稳态、高效、安全聚变堆科学研究为中期目标(2023—2040 年);以发展聚变电站，探索聚变商用电站的工程、安全、经济性为长远目标(2050—2060 年)。
中国聚变工程试验堆(CFETR)概念图
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