可控核聚变与国际热核实验堆计划

可控核聚变与国际热核实验堆计划一、本文概述在科技飞速发展的今天，能源问题已成为全球共同面临的挑战。作为清洁、高效、可持续的能源形式，核能一直备受关注。可控核聚变作为一种理想的能源解决方案，其研究和发展对于人类社会的未来发展具有深远的意义。本文将对可控核聚变及其在国际热核实验堆计划（ITER）中的应用进行详细的阐述和分析，旨在增进对这一领域的了解，并为相关研究和实践提供有益的参考。本文首先将对可控核聚变的基本原理和技术难点进行概述，以便读者对该领域有一个基本的认识。随后，我们将详细介绍国际热核实验堆计划（ITER）的背景、目标以及其在可控核聚变研究中的重要地位。ITER作为一个多国合作的大型科研项目，对于推动可控核聚变技术的发展具有重要意义。在文章的后半部分，我们将对ITER计划的进展、挑战以及未来的发展前景进行展望。我们还将探讨可控核聚变在国际合作中的地位和作用，以及它对于全球能源结构调整和可持续发展的影响。通过本文的阐述，我们希望能够激发更多人对可控核聚变和ITER计划的关注和参与，共同推动这一领域的发展，为人类的未来创造更加美好的能源前景。二、可控核聚变原理与技术可控核聚变，作为未来能源的希望之星，其原理与技术研究一直是全球科学家的热点议题。其原理主要基于太阳的能量来源——氢原子核（质子）在极高温度和压力下融合成氦原子核，并释放巨大能量的过程。在地球上实现这一过程，不仅能解决能源危机，还能大幅度减少温室气体的排放，对于应对全球气候变化具有重大意义。可控核聚变的基本过程是将两个轻原子核（如氘和氚）在特定条件下融合成一个较重的原子核，并在这个过程中释放大量能量。这种能量释放的方式与核裂变不同，它不需要重元素作为燃料，且产生的放射性废料相对较少，衰变期也较短。因此，从环保和能源可持续性的角度看，可控核聚变具有无可比拟的优势。要实现可控核聚变，需要解决的关键技术难题包括如何维持足够高的温度和压力，以及如何让核聚变反应在可控的条件下进行。目前，磁约束和惯性约束是两种主要的核聚变技术路线。磁约束聚变：主要利用强大的磁场来约束高温等离子体，使其达到聚变所需的条件。ITER（国际热核实验堆计划）就是采用这种技术路线，其目标是验证聚变堆的工程可行性，并为未来商业聚变堆的建设奠定基础。惯性约束聚变：通过激光或粒子束等方式，将燃料丸迅速加热并压缩至极高密度和温度，引发核聚变反应。这种方法的优势在于反应时间短，对约束条件的要求相对较低，但其技术挑战也在于如何实现高效、稳定的能量输入。尽管可控核聚变技术仍处于研究和开发阶段，但随着科学技术的不断进步，我们有理由相信，在不远的将来，这种清洁、高效的能源方式将成为人类社会的重要能源来源，为解决全球能源危机和应对气候变化作出重要贡献。三、国际热核实验堆计划（ITER）国际热核实验堆（ITER）计划是当今世界最大的国际科技合作项目之一，也是全球核聚变研究的重要里程碑。ITER的目标在于实现可控热核聚变反应的长时间持续运行，以验证聚变能作为一种可持续、清洁和安全的能源形式的潜力。ITER计划自2006年启动以来，已经吸引了全球多个国家和地区的积极参与。作为一个国际合作项目，ITER不仅集合了全球顶尖的科研力量，更展示了人类在面对共同挑战时的团结与协作精神。ITER装置的建造和运行，将为人类提供宝贵的实验数据，推动聚变能技术的进一步发展。ITER装置的核心是一个超导托卡马克装置，其设计目标是实现500兆瓦的热功率输出，持续时间达到3600秒。这一目标的实现将意味着人类已经掌握了长时间、大规模、可控的热核聚变反应技术，为未来的聚变能商业应用奠定了坚实的基础。ITER计划的成功实施，不仅将推动聚变能技术的发展，还将对全球能源结构产生深远的影响。聚变能作为一种几乎无污染的能源形式，有望在未来替代传统的化石能源，为全球能源安全和环境保护做出重要贡献。在ITER计划的推动下，全球聚变能研究正迎来前所未有的发展机遇。我们期待着在不远的将来，聚变能能够成为人类社会的重要能源形式，为人类的可持续发展贡献力量。四、ITER与全球能源未来随着人类对能源需求的日益增长，传统的化石燃料已经无法满足可持续发展的需求。而ITER作为全球最大的热核聚变实验堆计划，其成功的商业化运营将有可能为人类提供一种几乎无限的清洁能源——聚变能。因此，ITER不仅是一个科技项目，更是关乎全球能源未来的重要战略。ITER的成功将极大地推动聚变能技术的发展，有望使聚变能成为一种可行的商业能源。聚变能具有资源丰富、清洁无污染、高效能等优点，一旦实现商业化，将有可能彻底改变全球的能源格局，推动人类社会向更加环保、高效、可持续的方向发展。ITER的实施也将促进全球能源科技的合作与交流。作为一个涉及全球多个国家和地区的大型科研项目，ITER的的实施需要各国科研人员共同合作，分享技术和经验。这种合作模式将促进全球能源科技的交流与发展，推动全球能源科技的共同进步。ITER的成功也将为全球能源安全提供新的保障。传统的化石燃料存在资源枯竭、价格波动大、环境污染等问题，而聚变能作为一种几乎无限的清洁能源，将为全球能源安全提供新的保障。聚变能的发展也将推动全球能源结构的多元化，降低对单一能源的依赖，提高全球能源的稳定性。ITER与全球能源未来息息相关。随着ITER的的深入实施和聚变能技术的不断发展，我们有理由相信，聚变能将成为未来全球能源的重要支柱，为人类社会的可持续发展提供新的动力。五、结论在本文中，我们深入探讨了可控核聚变技术的发展现状以及国际热核实验堆（ITER）计划的重要性。可控核聚变作为一种清洁、高效的能源形式，其潜力和价值在全球范围内得到了广泛的认可。ITER计划作为目前全球最大规模的聚变研究项目，不仅推动了聚变技术的发展，也为全球能源结构的转型提供了新的可能。从ITER计划的实施情况来看，尽管面临技术挑战和资金压力，但其在推动聚变研究、培养聚变人才、促进国际合作等方面所取得的成果是显著的。这一计划的成功实施，将有可能为人类带来一种全新的能源解决方案，从而有效应对全球能源危机和环境问题。然而，我们也必须清醒地认识到，可控核聚变技术的商业化应用仍然面临诸多挑战，如技术成熟度、经济效益、安全性等问题。因此，未来的研究和发展需要继续加大投入，提高技术研发水平，加强国际合作，共同推动聚变能源的发展。可控核聚变技术和ITER计划对于全球能源未来具有重要意义。虽然目前仍存在许多挑战和困难，但只要我们坚持不懈地努力，相信在不远的将来，我们一定能够实现聚变能源的商业化应用，为人类社会的可持续发展作出重要贡献。参考资料：可控核聚变（Controllednuclearfusion）是可控的，能够持续进行的核聚变反应。在地球上建造的像太阳那样进行可控核反应的装置，称为“人造太阳”。可控核聚变的目标是实现安全、持续、平稳的能量输出，其潜在优势使其成为最理想的终极能源形式之一。与核裂变相比，可控核聚变释放能量大，原料来源丰富，产生的放射性废物少，且具有更高的安全性。2023年，我国在该领域取得了显著进展：全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）已经在多个实验中取得了重要成果；核聚变大科学装置“中国环流三号”面向全球开放，邀请世界各国科学家来中国集智攻关。目前可控核聚变的商业化应用仍然面临许多技术上和工程上的挑战，而一旦实现突破，它将为人类提供用之不竭的清洁能源。2023年12月，可控核聚变入选“2023年度十大科技名词”。1939年，美国物理学家贝特通过实验证实，把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，两个原子核发生了融合，形成一个新的原子核——氦外加一个自由中子，在这个过程中释放出了6兆电子伏的能量。这就是太阳持续45亿年发光发热的原理。早在1933年，核聚变的原理就被提出，而5年后，改变世界格局的核裂变才被发现。核聚变反应堆的原理很简单，很好理解，只不过实现起来对于当时的人类技术水准，几乎是不可能的。第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。第二步，为了克服库仑力，也就是同样带正电荷的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，得到这个速度，最简单的方法就是——继续加温，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。看起来很简单是吧，只有一个问题，你把这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢？迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构，更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了50年后，人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。好了，人类是很聪明的，不能用化学结构的方法解决问题，就用物理的试验一下。早在50年前，两种约束高温反应体的理论就产生了，一种是惯性约束。这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。2007年10月24日北京时间21∶15，国际热核聚变实验堆（ITER）组织在法国卡达拉舍（Cadarache）正式成立，这标志着目前全球规模最大的国际科技合作协议正式启动。当国际组织总干事池田要先生和第一副总干事郝特康普博士揭下“ITER国际组织”牌匾上的绸布时，会场响起热烈的掌声。同一时刻，美国、俄罗斯、欧盟、中国、日本、韩国、印度各方的高层代表通过视频在各自国家参与了ITER国际组织举行的成立仪式。中国分会场设在合肥中国科学院等离子体所主控室，科技部基础司彭以祺副巡视员、ITER办公室罗德隆同志等与国内有关专家一起见证了这一重要历史时刻，大家纷纷举杯同贺。在此之前，ITER组织还举行了ITER技术负责人第15次会议。2006年11月21日，我国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同签署了《联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的协定》和《联合实施国际热核聚变实验堆计划国际聚变能组织特权和豁免协定》。2007年8月31日，十届全国人大第29次常委会审议通过了上述两个协定。ITER计划是目前全球规模最大、经费投入最多、影响最深远的重大国际科学工程之一，它吸引了世界主要国家的顶尖科学家。ITER计划的实施结果将影响人类能否大规模地使用聚变能，从而从根本上解决能源问题的进程。参与ITER计划不仅使我国在核聚变能研究方面进入世界最前沿，为我国自主地开展核聚变示范电站开发清洁高效的能源的研发奠定基础，也将推动我国核聚变科技整体水平的发展。2012年7月10日，中国可控核聚变实验装置获重大突破，遥遥领先世界。中科院等离子体物理研究所，东方超环（EAST）超导托卡马克2012年物理实验顺利结束。在长达四个多月的实验期间，科学家们利用低杂波和离子回旋射频波，实现多种模式的高约束等离子体、长脉冲高约束放电，自主创新能力得到较大提高、获得多项重大成果，创造了两项托卡马克运行的世界记录：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。这分别是国际上最长时间的高温偏滤器等离子体放电、最长时间的高约束等离子体放电，标志着我国在稳态高约束等离子体研究方面走在国际前列。（来源：凤凰网：2012年7月12日新闻：中国可控核聚变实验装置获重大突破遥遥领先世界）2022年12月13日，美国能源部宣布：12月5日，其下属的劳伦斯利弗莫尔国家实验室科研人员在劳伦斯利弗莫尔国家实验室“国家点燃实验设施”进行了历史上首次可控核聚变实验，意味着核聚变实验中产生的能量多于用于驱动核聚变的激光能量。这一实验将为推动清洁能源发展提供宝贵见解，有助于实现零碳经济目标。此次核聚变实验中，“国家点燃实验设施”向目标输入了05兆焦耳的能量，产生了15兆焦耳的聚变能量输出，首次展示了惯性约束核聚变的最基本科学原理。2023年，日本国家聚变科学研究所和美国TAE技术公司携手，首次在磁约束聚变等离子体中实现了氢—硼聚变实验。2023年8月25日下午，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题，标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。人类没有被一个ITER限定死，很多可控核聚变领域的研究也层出不穷。前几年出现了冷核聚变的说法，就是将氘代丙酮以一定的频率进行震动，发现产生的微小气泡里面产生了核聚变，还有一部以此为背景的电影《圣徒》，但是目前看来，由于被认为不可重现，缺乏理论依据，基本可以认定是伪科学了。另外托克马克也不都是环形的，长径比到一定程度，就出现了球形的装置，造价低，有效截面大，很可能是未来的发展方向。地球上的能量，无论是以矿石燃料，风力，水力还是动植物的形式储存起来的，最终的来源都是太阳：矿石燃料是由千百万年前的动植物演变而来的，而动植物（无论是今天的还是以前的）的能量最终是要来源于食物链底端的植物的光合作用所储存的太阳能；风的起因是由于太阳对大气的加热造成的冷热不均；水力的势能一样要靠太阳的加热使处于低平位置的水体蒸发，上升，再以降水形式被“搬运”到较高位置，从而形成势能。因此，无论人类利用这其中哪一种能源，归根结底都是在利用太阳能，而太阳的能量则是来源于核聚变，因此，人类如果掌握了有序地释放核聚变的能量的办法，就等于掌握了太阳的能量来源，就等于掌握了无穷无尽的矿石燃料，风力和水力能源，一些人鼓吹的现代工业将因为没有能量来源而走向灭亡的观点也就破产了。因此，可控核聚变反应堆当之无愧地被称作“人造太阳”。我国在可控核聚变技术方面处于世界领先地位，即将开始运行的EAST反应堆是世界上第一个达到实用工程标准的反应堆，如果能够成功运行，那么，可控核聚变的商业发电的时日就不远了。可控核聚变，一定条件下，控制核聚变的速度和规模，以实现安全、持续、平稳的能量输出的核聚变反应。有激光约束核聚变、磁约束核聚变等形式。具有原料充足、经济性能优异、安全可靠、无环境污染等优势。因技术难度极高，尚处于实验阶段。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了50亿年。可控核聚变俗称人造太阳，因为太阳的原理就是核聚变反应。（核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，当然也不产生温室气体，基本不污染环境）人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置，可以有效控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出。裂变能是重金属元素的原子通过裂变而释放的巨大能量，已经实现商用化。因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。另一种核能形式是目前尚未实现商用化的聚变能。氘在地球的海水中藏量丰富，多达40万亿吨，如果全部用于聚变反应，释放出的能量足够人类使用几百亿年，而且反应产物是无放射性污染的氦。另外，由于核聚变需要极高温度，一旦某一环节出现问题，燃料温度下降，聚变反应就会自动中止。也就是说，聚变堆是次临界堆，绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核（核裂变）电站的事故，它是安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。可控核聚变主要的方式大概有3种：引力约束、惯性约束和磁约束，目前占据主流的托卡马克装置属于磁约束，主要利用氢的同位素氘—氚作为聚变燃料。为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置，这种装置就被称作“托卡马克装置”——TOKAMAK，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能量才行，称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到能量输出，直到1970年，苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当时最高级设备才能测出来，Q值大约是10亿分之一。别小看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置，欧洲建设了联合环-JET,苏联建设了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导），日本的JT-60和美国的TFTR（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。这些托卡马克装置一次次把能量增益因子（Q）值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了17万千瓦输出功率，Q值达12。1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为3万千瓦和56万千瓦，Q值达到了28。1997年9月，联合欧洲环创29万千瓦的世界纪录，Q值达60，持续了2秒。仅过了39天，输出功率又提高到61万千瓦，Q值达到65。三个月以后，日本的JT－60上成功进行了氘－氘反应实验，换算到氘－氚反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了25。这是第一次Q值大于1，尽管氘-氘反应是不能实用的（这个后面再说），但是托卡马克理论上可以真正产生能量了。在这个大环境下，中国也不例外，在70年代就建设了数个实验托卡马克装置——环流一号（HL-1）和CT-6，后来又建设了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了环流2号。有种说法，说中国的托卡马克装置研究是从俄罗斯赠送设备开始的，这是不对的，HT6/HL1的建设都早于俄罗斯赠送的HT-7系统。HT-7以前，中国的几个设备都是普通的托卡马克装置，而俄罗斯赠送的HT-7则是中国第一个“超托卡马克”装置。什么是“超托卡马克装置”呢？回过头来说，托卡马克装置的核心就是磁场，要产生磁场就要用线圈，就要通电，有线圈就有导线，有导线就有电阻。托卡马克装置越接近实用就要越强的磁场，就要给导线通过越大的电流，这个时候，导线里的电阻就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。托卡马克貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得托卡马克峰回路转，只要把线圈做成超导体，理论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了，这就是超托卡马克。目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超托卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，EAST则第一次尝试做成了非圆型截面。在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。2005年正式确定的国际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本和欧共同提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。（注意：ITER已经不是托卡马克装置了，而是试验反应堆，这是一大进步）最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果，其间美国中途退出，ITER出现胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首先是中国宣布加入了ITER计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴，随后美国宣布重返计划。紧接着，韩国和印度也宣布加入。2005年ITER正式立项，地点在法国的卡达拉申，基本设计不变，力争2015年前全面完成，造价120亿美元，欧盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想让别人平摊，韩国印度不干，力争让俄国也出10%，自己出5%（最终美、日、俄、中、韩、印各出约9%）。ITER凑巧是拉丁语“道路”，可见大家对这个东西抱有多大的希望。很有可能，她就是人类解决能源问题的“道路”。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技术，设计和建造示范商用堆，到那时，离真正的商业核聚变发电就不远了。但是ITER建设中，还有大量的技术问题需要解决，需要有一个原型可以参考，在此基础上，各国的先进超托卡马克装置就成了设计ITER的蓝本。ITER的研究远非一个托卡马克装置，它还有很多难题需要攻克，地雷战里说“各村有各村的高招”，日本的外围设备研究就远远走在了其他国家前面，他们在托卡马克点火领域就很先进，不用高压变压器，直接使用高频电流制造核聚变点火的高温等离子体电流，就已经在日本试验成功了，大功率激光点火也接近完善。EAST位于中国合肥，是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有在线圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志——冷却塔换成汽轮机是可以发电的。结合一些相关资料，世界这个领域普遍认为EAST将是第一个能长时间稳定运行的，Q值能达到1的托卡马克装置，当然这可能还要1-2年的时间。就EAST来说，从某种意义上，它就是ITER主反应体大约1/4的一个原型实验装置。利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘（读"刀"，又叫重氢）和氚（读"川"，又叫超重氢）聚合成较重的原子核如氦而释出能量。核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中含有03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近·，但要达到工业应用还差得远。按照现有的技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一秒）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。2023年12月，可控核聚变入选“2023年度十大科技名词”。可控核聚变（Controllednuclearfusion）是可控的，能够持续进行的核聚变反应。在地球上建造的像太阳那样进行可控核反应的装置，称为“人造太阳”。可控核聚变的目标是实现安全、持续、平稳的能量输出，其潜在优势使其成为最理想的终极能源形式之一。与核裂变相比，可控核聚变释放能量大，原料来源丰富，产生的放射性废物少，且具有更高的安全性。2023年，我国在该领域取得了显著进展：全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）已经在多个实验中取得了重要成果；核聚变大科学装置“中国环流三号”面向全球开放，邀请世界各国科学家来中国集智攻关。目前可控核聚变的商业化应用仍然面临许多技术上和工程上的挑战，而一旦实现突破，它将为人类提供用之不竭的清洁能源。2023年12月，可控核聚变入选“2023年度十大科技名词”。1939年，美国物理学家贝特通过实验证实，把一个氘原子核用加速器加速后和一个氚原子核以极高的速度碰撞，两个原子核发生了融合，形成一个新的原子核——氦外加一个自由中子，在这个过程中释放出了6兆电子伏的能量。这就是太阳持续45亿年发光发热的原理。早在1933年，核聚变的原理就被提出，而5年后，改变世界格局的核裂变才被发现。核聚变反应堆的原理很简单，很好理解，只不过实现起来对于当时的人类技术水准，几乎是不可能的。第一步，作为反应体的混合气必须被加热到等离子态——也就是温度足够高到使得电子能脱离原子核的束缚，原子核能自由运动，这时才可能使得原子核发生直接接触，这个时候，需要大约10万摄氏度的温度。第二步，为了克服库仑力，也就是同样带正电荷的原子核之间的斥力，原子核需要以极快的速度运行，得到这个速度，最简单的方法就是——继续加温，使得布朗运动达到一个疯狂的水平，要使原子核达到这种运行状态，需要上亿摄氏度的温度。然后就简单了，氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体已经不需要外来能源的加热，核聚变的温度足够使得原子核继续发生聚变。这个过程只要氦原子核和中子被及时排除，新的氚和氘的混合气被输入到反应体，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，大部分可以输出，作为能源来使用。看起来很简单是吧，只有一个问题，你把这个高达上亿摄氏度的反应体放在哪里呢？迄今为止，人类还没有造出任何能经受1万摄氏度的化学结构，更不要说上亿摄氏度了。这就是为什么一槌子买卖的氢弹已经制造了50年后，人类还没能有效的从核聚变中获取能量的唯一原因。好了，人类是很聪明的，不能用化学结构的方法解决问题，就用物理的试验一下。早在50年前，两种约束高温反应体的理论就产生了，一种是惯性约束。这一方法把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压，压力升高，温度也急剧升高，当温度达到需要的点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。这一理论的奠基人之一就是我国著名科学家王淦昌。2007年10月24日北京时间21∶15，国际热核聚变实验堆（ITER）组织在法国卡达拉舍（Cadarache）正式成立，这标志着目前全球规模最大的国际科技合作协议正式启动。当国际组织总干事池田要先生和第一副总干事郝特康普博士揭下“ITER国际组织”牌匾上的绸布时，会场响起热烈的掌声。同一时刻，美国、俄罗斯、欧盟、中国、日本、韩国、印度各方的高层代表通过视频在各自国家参与了ITER国际组织举行的成立仪式。中国分会场设在合肥中国科学院等离子体所主控室，科技部基础司彭以祺副巡视员、ITER办公室罗德隆同志等与国内有关专家一起见证了这一重要历史时刻，大家纷纷举杯同贺。在此之前，ITER组织还举行了ITER技术负责人第15次会议。2006年11月21日，我国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同签署了《联合实施国际热核聚变实验堆计划建立国际聚变能组织的协定》和《联合实施国际热核聚变实验堆计划国际聚变能组织特权和豁免协定》。2007年8月31日，十届全国人大第29次常委会审议通过了上述两个协定。ITER计划是目前全球规模最大、经费投入最多、影响最深远的重大国际科学工程之一，它吸引了世界主要国家的顶尖科学家。ITER计划的实施结果将影响人类能否大规模地使用聚变能，从而从根本上解决能源问题的进程。参与ITER计划不仅使我国在核聚变能研究方面进入世界最前沿，为我国自主地开展核聚变示范电站开发清洁高效的能源的研发奠定基础，也将推动我国核聚变科技整体水平的发展。2012年7月10日，中国可控核聚变实验装置获重大突破，遥遥领先世界。中科院等离子体物理研究所，东方超环（EAST）超导托卡马克2012年物理实验顺利结束。在长达四个多月的实验期间，科学家们利用低杂波和离子回旋射频波，实现多种模式的高约束等离子体、长脉冲高约束放电，自主创新能力得到较大提高、获得多项重大成果，创造了两项托卡马克运行的世界记录：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。这分别是国际上最长时间的高温偏滤器等离子体放电、最长时间的高约束等离子体放电，标志着我国在稳态高约束等离子体研究方面走在国际前列。（来源：凤凰网：2012年7月12日新闻：中国可控核聚变实验装置获重大突破遥遥领先世界）2022年12月13日，美国能源部宣布：12月5日，其下属的劳伦斯利弗莫尔国家实验室科研人员在劳伦斯利弗莫尔国家实验室“国家点燃实验设施”进行了历史上首次可控核聚变实验，意味着核聚变实验中产生的能量多于用于驱动核聚变的激光能量。这一实验将为推动清洁能源发展提供宝贵见解，有助于实现零碳经济目标。此次核聚变实验中，“国家点燃实验设施”向目标输入了05兆焦耳的能量，产生了15兆焦耳的聚变能量输出，首次展示了惯性约束核聚变的最基本科学原理。2023年，日本国家聚变科学研究所和美国TAE技术公司携手，首次在磁约束聚变等离子体中实现了氢—硼聚变实验。2023年8月25日下午，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题，标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。人类没有被一个ITER限定死，很多可控核聚变领域的研究也层出不穷。前几年出现了冷核聚变的说法，就是将氘代丙酮以一定的频率进行震动，发现产生的微小气泡里面产生了核聚变，还有一部以此为背景的电影《圣徒》，但是目前看来，由于被认为不可重现，缺乏理论依据，基本可以认定是伪科学了。另外托克马克也不都是环形的，长径比到一定程度，就出现了球形的装置，造价低，有效截面大，很可能是未来的发展方向。地球上的能量，无论是以矿石燃料，风力，水力还是动植物的形式储存起来的，最终的来源都是太阳：矿石燃料是由千百万年前的动植物演变而来的，而动植物（无论是今天的还是以前的）的能量最终是要来源于食物链底端的植物的光合作用所储存的太阳能；风的起因是由于太阳对大气的加热造成的冷热不均；水力的势能一样要靠太阳的加热使处于低平位置的水体蒸发，上升，再以降水形式被“搬运”到较高位置，从而形成势能。因此，无论人类利用这其中哪一种能源，归根结底都是在利用太阳能，而太阳的能量则是来源于核聚变，因此，人类如果掌握了有序地释放核聚变的能量的办法，就等于掌握了太阳的能量来源，就等于掌握了无穷无尽的矿石燃料，风力和水力能源，一些人鼓吹的现代工业将因为没有能量来源而走向灭亡的观点也就破产了。因此，可控核聚变反应堆当之无愧地被称作“人造太阳”。我国在可控核聚变技术方面处于世界领先地位，即将开始运行的EAST反应堆是世界上第一个达到实用工程标准的反应堆，如果能够成功运行，那么，可控核聚变的商业发电的时日就不远了。可控核聚变，一定条件下，控制核聚变的速度和规模，以实现安全、持续、平稳的能量输出的核聚变反应。有激光约束核聚变、磁约束核聚变等形式。具有原料充足、经济性能优异、安全可靠、无环境污染等优势。因技术难度极高，尚处于实验阶段。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了50亿年。可控核聚变俗称人造太阳，因为太阳的原理就是核聚变反应。（核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，当然也不产生温室气体，基本不污染环境）人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置，可以有效控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出。裂变能是重金属元素的原子通过裂变而释放的巨大能量，已经实现商用化。因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。另一种核能形式是目前尚未实现商用化的聚变能。氘在地球的海水中藏量丰富，多达40万亿吨，如果全部用于聚变反应，释放出的能量足够人类使用几百亿年，而且反应产物是无放射性污染的氦。另外，由于核聚变需要极高温度，一旦某一环节出现问题，燃料温度下降，聚变反应就会自动中止。也就是说，聚变堆是次临界堆，绝对不会发生类似前苏联切尔诺贝利核（核裂变）电站的事故，它是安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。可控核聚变主要的方式大概有3种：引力约束、惯性约束和磁约束，目前占据主流的托卡马克装置属于磁约束，主要利用氢的同位素氘—氚作为聚变燃料。为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置，这种装置就被称作“托卡马克装置”——TOKAMAK，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能量才行，称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到能量输出，直到1970年，苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当时最高级设备才能测出来，Q值大约是10亿分之一。别小看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置，欧洲建设了联合环-JET,苏联建设了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导），日本的JT-60和美国的TFTR（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。这些托卡马克装置一次次把能量增益因子（Q）值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了17万千瓦输出功率，Q值达12。1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为3万千瓦和56万千瓦，Q值达到了28。1997年9月，联合欧洲环创29万千瓦的世界纪录，Q值达60，持续了2秒。仅过了39天，输出功率又提高到61万千瓦，Q值达到65。三个月以后，日本的JT－60上成功进行了氘－氘反应实验，换算到氘－氚反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了25。这是第一次Q值大于1，尽管氘-氘反应是不能实用的（这个后面再说），但是托卡马克理论上可以真正产生能量了。在这个大环境下，中国也不例外，在70年代就建设了数个实验托卡马克装置——环流一号（HL-1）和CT-6，后来又建设了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了环流2号。有种说法，说中国的托卡马克装置研究是从俄罗斯赠送设备开始的，这是不对的，HT6/HL1的建设都早于俄罗斯赠送的HT-7系统。HT-7以前，中国的几个设备都是普通的托卡马克装置，而俄罗斯赠送的HT-7则是中国第一个“超托卡马克”装置。什么是“超托卡马克装置”呢？回过头来说，托卡马克装置的核心就是磁场，要产生磁场就要用线圈，就要通电，有线圈就有导线，有导线就有电阻。托卡马克装置越接近实用就要越强的磁场，就要给导线通过越大的电流，这个时候，导线里的电阻就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。托卡马克貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得托卡马克峰回路转，只要把线圈做成超导体，理论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了，这就是超托卡马克。目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超托卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，EAST则第一次尝试做成了非圆型截面。在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。2005年正式确定的国际合作项目ITER，也就是国际热核实验反应堆的缩写，这个项目从1985年开始，由苏联、美国、日本和欧共同提出，目的是建立第一个试验用的聚变反应堆。（注意：ITER已经不是托卡马克装置了，而是试验反应堆，这是一大进步）最初方案是2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价100亿美元。没想到因为各国想法不同，苏联解体，加上技术手段的限制，一直到了2000年也没有结果，其间美国中途退出，ITER出现胎死腹中的危险。直到2003年，能源危机加剧，各国又重视起来，首先是中国宣布加入了ITER计划，欧洲、日本和俄罗斯自然很高兴，随后美国宣布重返计划。紧接着，韩国和印度也宣布加入。2005年ITER正式立项，地点在法国的卡达拉申，基本设计不变，力争2015年前全面完成，造价120亿美元，欧盟出40%，法、中、日、美各出10%，剩下的想让别人平摊，韩国印度不干，力争让俄国也出10%，自己出5%（最终美、日、俄、中、韩、印各出约9%）。ITER凑巧是拉丁语“道路”，可见大家对这个东西抱有多大的希望。很有可能，她就是人类解决能源问题的“道路”。如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技术，设计和建造示范商用堆，到那时，离真正的商业核聚变发电就不远了。但是ITER建设中，还有大量的技术问题需要解决，需要有一个原型可以参考，在此基础上，各国的先进超托卡马克装置就成了设计ITER的蓝本。ITER的研究远非一个托卡马克装置，它还有很多难题需要攻克，地雷战里说“各村有各村的高招”，日本的外围设备研究就远远走在了其他国家前面，他们在托卡马克点火领域就很先进，不用高压变压器，直接使用高频电流制造核聚变点火的高温等离子体电流，就已经在日本试验成功了，大功率激光点火也接近完善。EAST位于中国合肥，是目前为止，超托卡马克反应体部分，唯一能给ITER提供实验数据的装置，他的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，没有的仅仅是换能部分。EAST解决了几个重要问题：第一次采用了非圆型垂直截面，目的是在不增加环形直径的前提下增加反应体的体积，提高磁场效率。第一次全部采用了液氦无损耗的超导体系。液氦是很贵的，只有在线圈材料上下功夫，尽量少用液氦，同时让液氦可以循环使用，尽量减少损耗的系统才可能投入实用。EAST还是世界上第一个具有主动冷却结构的托卡马克，它的第一壁是主动冷却的，连接的是一个大型冷却塔，它的冷却水可以保证在长时间运行后将反应产生的热量带走，维持系统的温度平衡，一方面是为真正实现稳定的受控聚变迈出的重要一步，另一方面也是工程化的重要标志——冷却塔换成汽轮机是可以发电的。结合一些相关资料，世界这个领域普遍认为EAST将是第一个能长时间稳定运行的，Q值能达到1的托卡马克装置，当然这可能还要1-2年的时间。就EAST来说，从某种意义上，它就是ITER主反应体大约1/4的一个原型实验装置。利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同位素氘（读"刀"，又叫重氢）和氚（读"川"，又叫超重氢）聚合成较重的原子核如氦而释出能量。核聚变较之核裂变有两个重大优点。一是地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。据测算，每升海水中含有03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。第二个优点是既干净又安全。因为它不会产生污染环境的放射性物质，所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是安全的。实现核聚变已有不少方法。最早的著名方法是"托卡马克"型磁场约束法。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体约束在很小范围内以实现上述三个条件。虽然在实验室条件下已接近·，但要达到工业应用还差得远。按照现有的技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一秒）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离需要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。2023年12月，可控核聚变入选“2023年度十大科技名词”。“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，建造约需10年，耗资50亿美元（1998年值）。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克，俗称“人造太阳”。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，2006年5月，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。2020年7月28日，国际热核聚变实验堆（ITER）计划重大工程安装启动仪式在法国该组织总部举行。中国国家主席习近平致贺信。国际热核聚变实验堆（ITER）计划，简称“（ITER）计划”，（ITER：InternationalThermonuclearExperimentalReactor），ITER计划倡议于1985年，并于1988年开始实验堆的研究设计工作。经过十三年努力，耗资十五亿美元，在集成世界聚变研究主要成果基础上，ITER工程设计于2001年完成。此后经过五年谈判，ITER计划七方2006年正式签署联合实施协定，启动实施ITER计划。ITER计划将历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。中国政府坚定支持中国参与ITER计划，胡锦涛多次就此做出重要指示。经过深入调研和充分论证，中国政府于2003年1月决定正式参加ITER计划谈判。此后，中国还积极推动谈判进程，为尽早启动实施ITER计划进行不懈努力，这期间，中国先后承办了ITER第九次和第十一次政府间谈判会议。ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。该计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，将研究解决大量技术难题，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步，因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持。核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。与不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。ITER计划是实现聚变能商业化必不可少的一步，其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。ITER计划集成了当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，拥有可靠的科学依据并具备坚实的技术基础。国际上对ITER计划的主流看法是：建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备，成功的把握较大，经过示范堆、原型堆核电站阶段，可在本世纪中叶实现聚变能商业化。ITER计划是我国改革开放以来有机会参加的最大的多边国际大科学工程合作项目。参加ITER计划有利于大幅度提升我国在科学技术领域参加国际合作的层次；有利于推动我国聚变能研究开发，加快我国聚变能开发进程；有利于我国学习掌握大型国际科学工程项目的建设、管理、运行和维修经验；有利于提高我国超导技术、稀有金属材料技术、高电压技术等众多领域的研究开发能力；有利于锻炼和造就一批高水平、高素质的科研人员、工程技术人员和管理人员，为我国聚变事业的发展打下坚实人才基础。2003年1月国务院批准我国参加ITER计划谈判，经过三年谈判，2006年5月24日，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定，标志着ITER计划进入全面实施的准备阶段。(霍裕平院士ITER计划中国专家委员会首席科学家、郑州大学教授，潘传红研究员中国核工业集团公司西南物理研究院院长，李建刚研究员中国科学院等离子体物理研究所所长)2006年5月24日，国家科学技术部代表我国政府与其他六方一起，在比利时首都布鲁塞尔草签了《国际热核聚变实验堆（InternationalThermonuclearExperimentalReactor）联合实施协定》。这标志着ITER计划实质上进入了正式执行阶段，即将开始工程建设，也标志着我国实质上参加了ITER计划。ITER计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。它的建造大约需要十年，耗资五十亿美元（1998年值）。合作承担ITER计划的七个成员是欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国，这七方包括了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。为建设ITER，各参与方专门协商组建了一个独立的国际组织，各国政府首脑在过去几年中都采取不同方式对参加ITER计划作出过正式表态。这些都是国际科技合作史上前所未有的，充分显示了各国政府和科技界对该计划的高度重视。ITER计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。在全世界都对人类能源、环境、资源前景等问题予以高度关注的今天，各国坚持协商、合作的精神，搁置诸多的矛盾和利害冲突，最终达成了各方都能接受的协议，并开始合力建设世界上第一座聚变实验堆。我国是一个持续高速发展的发展中大国，能源问题日益突出，因而长期以来对有可能彻底解决能源问题的核聚变能研究作了力所能及的安排，对国际上有关ITER计划的讨论一直给予高度关注。2002年底，国务院授权国家科学技术部代表我国政府参加ITER计划国际协商，并于2006年决定在协商完成后的草签协议上签字。这显示了我国作为一个发展中大国对我国和对人类未来负责任的态度，以及对打开国门积极参加国际科技合作的决心。如果说重原子核在中子打击下分裂放出的"裂变能"是当今原子能电站及原子弹能量的来源，则两个氢原子核聚合反应放出"核聚变能"就是宇宙间所有恒星（包括太阳）释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电核的轻原子核靠近从而产生聚变反应，控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中，氢的同位素---氘和氚的核聚变反应（即氢弹中的聚变反应）是相对比较易于实现的。氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量；氚可在反应堆中通过锂再生，而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没有放射性，中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物，不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性，可以说，聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件，若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应，则气体温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下，气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开，各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为"等离子体"。因此，实现"受控热核聚变"首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体，使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是，超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束，使之不飞散的，因此必须寻求某种途径，防止高温等离子体逃逸或飞散。具有闭合磁力线的磁场（因为带电粒子只能沿磁力线运动）是一种最可能的选择。对不同设计出的"磁笼"中等离子体运动行为及防止逃逸的研究（即所谓稳定性研究），成为实现受控热核聚变的第二个难点。如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行，上亿度的高温必须能长时间维持（不论靠聚变反应产生的部分能量，或外加部分能量）。或者可以说，等离子体的能量损失率必须比较小。提高磁笼约束等离子体能量的能力，这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除了验证科学可行性外，建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。从20世纪40年代末起，各国就开发了多种磁笼途径，并由之出发，对聚变能科学可行性展开了不同规模的理论与实验探索研究。投入科学家及工程师上千人，经费总计每年超过10亿美元。各途径竞争非常激烈，其间纷争不断。在这过程中，人们对实现聚变能难度的认识也逐步加深。但从20世纪70年代开始，苏联科学家发明的"托卡马克"途径逐渐显示出了独特的优点，并在80年代成为聚变能研究的主流途径。托卡马克装置又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的"磁笼"。等离子体就被约束在这"磁笼"中，很像一个中空的面包圈,等离子体环中感生一个很大的环电流。随着各国大小不一的托卡马克装置的建成、投入运行和实验，托卡马克显示了较为光明的前景：等离子体达到了数百万度，等离子体约束也获得了明显效果。科学家们认识到，如果扩大此类装置的规模，有可能获得接近聚变条件的等离子体。20世纪90年代，在欧洲、日本、美国的几个大型托卡马克装置上，聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。初步进行的氘-氚反应实验，得到16兆瓦的聚变功率。可以说，聚变能的科学可行性已基本得到论证，有可能考虑建造"聚变能实验堆"，创造研究大规模核聚变的条件。由于聚变能的研究不仅关系到最终解决人类能源问题，而且还涉及众多最先进且非常敏感的技术，因此，ITER计划的形成除与科学技术本身的发展有关外，还始终与主要大国在政治和外交方面的考虑分不开。本文将主要从科学和技术角度作一些分析和说明。1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、苏、欧、日共同启动"国际热核聚变实验堆（ITER）"计划。ITER计划的目标是要建造一个可自持燃烧（即"点火"）的托可马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题做深入探索。最初，该计划仅确定由美、俄、欧、日四方参加，独立于联合国原子能委员会（IAEA）之外，总部分设美、日、欧三处。由于当时的科学和技术条件还不成熟，四方科技人员于1996年提出的ITER初步设计很不合理，要求投资上百亿美元。1998年，美国出于政治原因及国内纷争，以加强基础研究为名，宣布退出ITER计划。欧、日、俄三方则继续坚持合作，并基于上世纪90年代核聚变研究及其他高新技术的新发展，大幅度修改实验堆的设计。2001年，欧、日、俄联合工作组完成了ITER装置新的工程设计（EDA）及主要部件的研制，预计建造费用为50亿美元（1998年价），建造期8至10年，运行期20年。其后，三方分别组织了独立的审查，都认为设计合理，基本上可以接受。2002年，欧、日、俄三方以EDA为基础开始协商ITER计划的国际协议及相应国际组织的建立，并表示欢迎中国与美国参加ITER计划。中国于2003年1月初正式宣布参加协商，其后美国在1月末由布什总统特别宣布重新参加ITER计划，韩国在2005年被接受参加ITER计划协商。以上六方于2005年6月签订协议，一致同意把ITER建在法国核技术研究中心Cadarache，从而结束了激烈的"选址大战"。印度于2006年加入ITER协商。最终，七个成员国政府于2006年5月25日草签了建设ITER的国际协定。目前国际组织正在组建，总干事和副总干事人选已确定。还有一些国家也正在考虑参加ITER计划。在ITER建设总投资的50亿美元（1998年值）中，欧盟贡献46%，美、日、俄、中、韩、印各贡献约9%。根据协议，中国贡献中的70%以上由我国制造所约定的ITER部件折算，10%由我国派出所需合格人员折算，需支付国际组织的外汇不到20%。作为聚变能实验堆，ITER要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的"磁笼"中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。50万千瓦热功率已经相当于一个小型热电站的水平。这将是人类第一次在地球上获得持续的、有大量核聚变反应的高温等离子体，产生接近电站规模的受控聚变能。在ITER上开展的研究工作将揭示这种带有氘氚核聚变反应的高温等离子体的特性，探索它的约束、加热和能量损失机制，等离子体边界的行为以及最佳的控制条件，从而为今后建设商用的核聚变反应堆奠定坚实的科学基础。对ITER装置工程整体及各部件在50万千瓦聚变功率长时间持续过程中产生的变化及可能出现问题的研究，不仅将验证受控热核聚变能的工程可行性，而且还将对今后如何设计和建造聚变反应堆提供必不可少的信息。ITER的建设、运行和实验研究是人类发展聚变能的必要一步，有可能直接决定真正聚变示范电站（DEMO）的设计和建设，并进而促进商用聚变电站的更快实现。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克。其装置中心是高温氘氚等离子体环，其中存在15兆安的等离子体电流，核聚变反应功率达50万千瓦，每秒释放多达1020个高能中子。等离子体环在屏蔽包层的环型包套中，屏蔽包层将吸收50万千瓦热功率及核聚变反应所产生的所有中子。在包层外是巨大的环形真空室。在下侧有偏虑器与真空室相连，可排出核反应后的废气。真空室穿在16个大型超导环向场线圈（即纵场线圈）中。环向超导磁体将产生3特斯拉的环向强磁场，是装置的关键部件之一，价值超过12亿美元。穿过环的中心是一个巨大的超导线圈筒（中心螺管），在环向场线圈外侧还布有六个大型环向超导线圈，即极向场线圈。中心螺管和极向场线圈的作用是产生等离子体电流和控制等离子体位形。在本体外分布4个10兆瓦的强流粒子加速器，10兆瓦的稳态毫米电磁波系统，20兆瓦的射频波系统及数十种先进的等离子体诊断测量系统。整个体系还包括：大型供电系统、大型氚工厂、大型供水（包括去离子水）系统、大型高真空系统、大型液氮、液氦低温系统等。ITER本体内所有可能的调整和维修都是通过远程控制的机器人或机器手完成。ITER装置不仅反映了国际聚变能研究的最新成果，而且综合了当今世界各领域的一些顶尖技术，如：大型超导磁体技术，中能高流强加速器技术，连续、大功率毫米波技术，复杂的远程控制技术等等。20世纪60年代，利用该原理，前苏联科学家提出并证明了激光可以使氘氚发生聚变。直到2009年，耗资35亿美元的美国国家点火装置（简称NIF）终于让科学家看到了激光核聚变实现的可能性，人类寄希望于能从该实验室中获得“取之不尽，用之不竭”的清洁核能。2013年9月25日（北京时间）消息，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室报告称，世界最大激光器、被称为“人造太阳”的美国国家点火装置（NIF）正距离其目标越来越近，显示了一个可持续核聚变反应装置正在由梦想逐步成为现实。不过在设施达到高度稳定前，目前仍有一个显著障碍有待克服。2020年12月28日报道，韩国超导托卡马克高级研究（KSTAR）创造了新的世界纪录，超导聚变设备也被称为韩国人造太阳，其离子在超过1亿度（摄氏温度）下维持了20秒钟。2022年2月9日，据欧洲核聚变研发创新联盟（EUROfusion）、英国原子能管理局（UKAEA）和国际热核聚变实验堆（ITER）联合召开新闻发布会称，欧洲科学家在通过聚变等离子体生产能源的道路上取得了重大成功——世界上规模最大的核聚变反应堆欧洲联合环状反应堆（JET）中产生了能量输出为59兆焦耳的稳定等离子体。这是自1997年以来，世界首次氘氚核聚变实验。2023年12月1日，日本和欧盟共同建设、位于日本茨城县那珂市的大型核聚变实验装置开始运行，向实现“人造太阳”又迈进了一步。我国核聚变能研究开始于60年代初，尽管经历了长时间非常困难的环境，但始终能坚持稳定、逐步的发展，建成了两个在发展中国家最大的、理工结合的大型现代化专业研究所，即中国核工业集团公司所属的西南物理研究院（SWIP）及中国科学院所属的合肥等离子体物理研究所（ASIPP）。为了培养专业人才，还在中国科技大学、大连理工大学、华中科技大学、清华大学等高等院校中建立了核聚变及等离子体物理专业或研究室。科技部依托中国科大成立“国家磁约束聚变堆总体设计组”，中国科大核科学技术学院院长万元熙院士担任组长。我国核聚变研究从一开始，即便规模很小时，就以在我国实现受控热核聚变能为主要目标。从上世纪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CT-6（中科院物理所）、KT-5（中国科技大学）、HT-6B（ASIPP）、HL-1（SWIP）、HT-6M（ASIPP）及中型HL-1M（SWIP）。SWIP建成的HL-2A经过进一步升级，有可能进入当前国际上正在运行的少数几个中型托卡马克之列。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。我国科学家在这些常规托卡马克装置上开展了一系列十分有意义的研究工作。自1991年，我国开展了超导托卡马克发展计划（ASIPP），探索解决托卡马克稳态运行问题。1994年建成并运行了世界上同类装置中第二大的HT-7装置，最近初步建成了首个与ITER位形相似（规模小很多）的全超导托卡马克EAST。超导托卡马克计划无疑为我国参加ITER计划在技术与人才方面做了进一步的准备。"聚变-裂变混合堆项目"于1987年正式列入我国"863计划"，目的是探索利用核聚变反应的另一类有效途径，其中主要安排了一些与未来核聚变堆有关技术的研发。2000年由于诸多原因，"聚变-裂变混合堆项目"被中止，但核聚变堆概念设计以及堆材料和某些特殊堆技术的研究仍在两个专业院所继续进行。尽管就规模和水平来说，我国核聚变能的研究和美、欧、日等发达国家还有不小的差距，但是我们有自已的特点，也在技术和人才等方面为参加ITER计划做了相当的准备。这使得我们有能力完成约定的ITER部件制造任务，为ITER计划做出相应的贡献，并有可能在合作过程中全面掌握聚变实验堆的技术，达到我国参加ITER计划总的目的。我国是一个能源大国，在本世纪内每年的能耗都将是数十亿吨标煤。由于条件限制，在长时间内我国能源生产都将以煤为主，所占比例高达70%。考虑到我国社会经济的长期可持续发展，我们必须尽快用可靠的非化石能源（如核裂变或核聚变能、太阳能、水能等）来取代大部分煤或石油的消耗。因此，必然应该在能力许可范围内积极开展核聚变能的研究，尽可能地参加国际核聚变能的大型合作研发计划（如ITER计划）。我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。核聚变能的研发对每个大国都是必要的，但又是一个长期、大规模、高投入而且又是高风险的过程。我国核聚变研究目前距离发达国家还有很大差距，还须经过若干年的努力才能接近"实验堆"建设和研究阶段。如果采取单独建造实验堆，则又须花费上百亿资金和十数年时间，我国和国际的差距会进一步扩大。因此，参加ITER计划，参加ITER的建设和实验，从而全面掌握ITER的知识和技术，培养一批聚变工程和科研人才，使其成为我国聚变研究的一部分。再配合国内安排必要的基础研究、聚变反应堆材料的研究、聚变堆某些必要技术的研究等，则有可能在较短时间、用较小投资使我国核聚变能研究在整体上进入世界前沿，为我国自主地开展核聚变示范电站的研发奠定基础。由中国自行设计、研制的世界上第一个全超导托卡马克EAST（原名HT--7U）核聚变实验装置（又称“人造太阳”）2006年成功完成首次工程调试，2007年3月通过国家验收。我们在一些战略高技术和产业关键核心技术取得重大突破，取得了一批重大原创成果，一些学科领域走到世界前列。科技创新能力大幅提升，有力支撑了中国经济社会发展。我们还必须看到，ITER本身就是当代各类高新技术的综合，中国科技人员长期、全面地参加ITER的建设和研究工作，直接接触和了解各类技术，必将有利于我国高新技术及相应产业的发展。事实上，参加ITER计划已开始推动我国超导技术与相关产业的发展。由于ITER计划本身的重要性，我国作为完全的伙伴全面参加ITER计划，就成为我国参加国际科技合作走上更高层次的一个明显的标志。这也在国际上展示了我国在科技领域坚持"开放"的决心。我国聚变研究的中心目标，是促使核聚变能在可能的条件下，尽早在中国实现。因此参加ITER计划应该也只能是我国整体聚变能研发计划中的一个重要组成部分。国家将在参加ITER计划的同时支持与之配套或与之互补的一系列重要研究工作，如托卡马克等离子体物理的基础研究、聚变堆第一壁等关键部件所需材料的开发、示范聚变堆的设计及必要技术或关键部件的研制等。参加ITER计划将是我国聚变能研究的一个重大机遇。2022年11月22日，国际热核聚变实验堆（ITER）增强热负荷第一壁完成首件制造，其核心指标显著优于设计要求，具备了批量制造条件。这标志着中国全面突破“ITER增强热负荷第一壁”关键技术，实现该项核心科技持续领跑。中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所核聚变大科学团队利用有“人造太阳”之称的全超导托卡马克大科学装置（EAST），发现并证明了一种新的高能量约束模式，对国际热核聚变实验堆和未来聚变堆运行具有重要意义。2023年4月12日晚21时，正在运行的世界首个全超导托卡马克EAST装置（又称“人造太阳”）获重大成果——成功实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，这创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录。中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所EAST大科学团队解决了长时间尺度下的等离子体位形约束、高功率射频波加热与电流驱动等离子体与壁相互作用、关键分布参数的实时诊断等系列前沿物理和技术集成问题，最终实现了403秒高约束模等离子体运行。2023年8月25日下午，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中