更新时间：2024-09-20 18:44
全超导托卡马克核聚变实验装置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST），又称为东方超环，是中国自主研发的实现可控核聚变重要装置，用来模拟太阳的核聚变反应，被形象地称为“人造太阳”。
全超导托卡马克核聚变实验装置的运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素或，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。
全超导托卡马克核聚变实验装置在1998年7月由国家发展和改革委员会批准立项，2000年10月正式开工建设。在2006年9月28日，世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（EAST）首轮物理放电实验取得成功，标志着中国站在了世界核聚变研究的前端。2007年3月1日通过国家竣工验收。2016年2月，中国EAST物理实验实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。2018年11月12日，EAST近期实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。2021年5月28日，创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。同年12月30日晚，EAST实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。2023年4月12日21时，创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒 。
全超导托卡马克核聚变实验装置是中国新一代可控核聚变研究装置，也是全球首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置，为国际上最重要的核聚变研究实验平台之一。
上世纪50年代，苏联科学家建成了第一个托卡马克装置——由封闭磁场组成“容器”，可以把炙热的等离子体“托举”到半空中持续加热。这个方法被视为探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效途径。
上世纪70年代末，位于合肥蜀山湖畔的等离子体物理研究所将已停机的苏联托卡马克装置T-7引入国内进行改造。1990年2月，苏联库尔恰托夫所副所长卡多姆采夫院士给中科院等离子体所时任所长霍裕平院士发来一封信，提出愿意将已停机的T-7托卡马克装置赠送给中科院等离子体所，以便更好地开展合作研究。1991年3月，T-7设备运抵国内，相关改造和建设工作也在中科院等离子体所全面铺开。1994年12月，由T-7改造成的超导托卡马克装置HT-7首次获得等离子体，成为中国第一代超导托卡马克装置。
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HT-7U在1998年立项。1998年7月国家计委下达投资（1998）1303号文，同意由中科院主持，中科院等离子体物理所承担国家重大科学工程项目“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置” 的建造。2003年10月，为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义，HT-7U正式改名为EAST （Experimental and Advanced Superconducting Tokamak）。
2006年9月28日，世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（EAST）首轮物理放电实验取得成功，标志着中国站在了世界核聚变研究的前端。2006年7—10月, 在第二次工程调试中不仅所有工程参数均达到或超过设计值而且还成功获得了首次高温等离子体放电。在2006年12月—2007年2月第2次物理实验运行中又在世界上首次在全超导托卡马克上实现了具有拉长和各种偏滤器位形的高温等离子体放电。2007年3月1日通过国家竣工验收。
2016年2月，中国EAST物理实验获又取得重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。在2017年物理实验中,EAST再获重大突破:在纯射频波加热、钨偏滤器等接近 ITER 运行条件下,实现了101.2 s 的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12日，从中科院合肥物质科学研究院获悉，EAST近期实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。
2021年5月28日，中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。同年12月30日晚，EAST实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。2023年4月12日21时，创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒 。
全超导托卡马克核聚变实验装置的运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。
核能可以分为两种，一种是由重原子分裂变成轻原子，期间释放大量的能量，称为核裂变，原子弹就是利用了核裂变技术，目前的核电站也都是利用裂变反应。另一种是由较轻的原子，聚合生成较重的原子，同时释放大量的能量，称为核聚变。
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。
EAST是一个非常复杂的实验装置，它的主要部件有真空室、纵场线圈、极向场线圈、冷屏、外杜瓦、基座等，而这些部件本身也都是一个个复杂的子系统。简单来说，EAST主要包含以下部件：
内外冷屏的作用是有效减少EAST超导磁体的热负荷，80K的内外冷屏设置在超导磁体与真空室及超导磁体与外真空杜瓦之间，冷屏由液氮或液氦冷却。
外真空杜瓦为圆桶状结构，它分为圆顶盖、中部环体和基座三个部分。外真空杜瓦主要为极向场、纵场真空室等部件提供真空环境，并隔断外部环境对这几个大部件所产生的热交换，同时它将承受装置大部件所施加的载荷。
超导纵场电感线圈是由十六个D形线圈沿环向均布组成，该系统可在等离子体中心产生3.5T的环向场，其总安匝数为30MAT。
真空室是由16个D形截面的扇形全硬段焊接而成，有48个窗口供抽气、诊断、加热电流驱动及冷却通道之用，主要是为热核聚变反应提供了一个超高真空的运行环境。
超导极向场线圈是由上下对称分布的中心螺管和四对大线圈组成，线圈采用CICC导体设计方案，超导体为NbTi,并用超临界4.5K氦迫流冷却。
超导托卡马克装置主机;低温系统;高功率电源系统 (纵场、极向场和快速反馈控制电源) ;真空抽充气系统;高功率低杂波驱动电流系统;高功率离子回旋共振加热系统;诊断测量系统;总控和数据采集系统以及公用辅助设施及基础配套 (实验厅、110k V变电站、水冷、超导实验室、低温车间和环保安全) 等9个重要子系统。
EAST装置主机部分高11m、直径8m、重400t，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。
以上资料来自
(1) 全超导。目前世界上正在运行的所有超导托卡马克均只有纵场磁体是超导磁体, 而EAST是国际上第一个建成并成功进行放电实验的全超导托卡马克 (不仅纵场而且极向场磁体也是超导磁体) ;
(2) 非圆小截面:可以实现大拉长和各种偏滤器位形的先进运行模式;
(3) 真空室内所有部件不仅可以根据实验的进展定期更换, 而且这些部件可主动冷却或加热, 满足稳态运行和实验要求。
在EAST近年来的实验中，取得了多项重要成果，主要包括：一是获得了稳定重复的1MA等离子体放电，实现了EAST的第一个科学目标，这也是目前国际超导装置上所达到的最高参数，为开展高参数、高约束的等离子体物理研究创造了条件，标志着EAST已进入了开展高参数等离子体物理实验的阶段。
二是获得超过400s的2000万摄氏度高参数偏滤器等离子体。目前，国际上大部分托卡马克的偏滤器等离子体持续时间均在20s以下，欧盟和日本科学家曾获得最长为60s的高参数偏滤器等离子体。中国科学家针对未来ITER400s高参数运行的一些关键科学技术问题，如等离子体精确控制、全超导磁体安全运行、有效加热与驱动、等离子体与壁材料相互作用等，开展了全面的实验研究，通过集成创新，成功实现了411s、中心等离子体密度约2×10m中心电子温度大于2000万摄氏度的高温等离子体。
三是获得稳定重复超过30S的高约束等离子体放电，是国际上最长时间的高约束等离子体放电，标志着中国在稳态高约束等离子体研究方面走在国际前列。高约束等离子体放电是未来磁约束聚变堆首选的一种先进高效运行方式。从20世纪80年代以来，世界上众多托卡马克都在探寻各种方式实现高约束放电、并不断尝试延长高约束放电时间。实现长时间高约束放电长期以来一直是国际聚变界追求的目标和挑战极大的前沿课题。目前正在运行的托克马克的高约束放电时间大都在10s以下，最长的是日本JT-60U装置（已退役）曾在2003年利用强流中性束加热实现一次28s的高约束等离子体放电。在EAST实验中，中国科学家另辟新法，利用低杂波与射频波协同效应，在低再循环条件下实现了稳定重复的超过32s的高约束等离子体放电。中国科学家所用的方法独特、经济、有效，为未来ITER提供了一条高效实现高约束放电的新途径。等离子体自发旋转的实验研究获得重要进展，对国际上重要装置上的H模旋转速度和等离子体内能和电流之间的关系提出了比较一致的关系，对预测未来ITER上的旋转速度提供了重要参考，对进一步理解托卡马克等离子体自发环向动量研究上的边界条件有重要意义。
四是成功开展离子回旋壁处理，为未来超导托卡马克高效运行奠定了基础。利用EAST超导装置在多种器壁条件下开展了离子回旋清洗，独立发展了一系列离子回旋壁处理的研究，取得了一系列令国际目领先的前沿性、创新性研究成果。离子回旋壁处理技术已经发展成为EAST壁处理的最有效手段，对EAST超导装置准稳态高参数运行以及未来ITER高效、安全运行有着现实而深远的意义。
五是等离子体自发旋转的实验研究获得重要进展，对国际上重要装置上的H模旋转速度和等离子体内能和电流之间的关系提出了比较一致的关系，对预测未来ITER上的旋转速度提供了重要参考，对进一步理解托卡马克等离子体自发环向动量研究上的边界条件有重要意义。
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。
EAST的科学研究分3个阶段实施：第一阶段（3～5年）：长脉冲实验平台的建设：第二阶段（约5年）：实现其科学目标，为ITER先进运行模式奠定基础：第三阶段（约5年）：长脉冲近堆芯条件下的实验研究。
与国外同类装置相比, 项目使用资金最少, 建设速度最快并在建成后的极短时间内就取得了重大实验进展, 因而受到国际聚变界的高度评价。2006年10月, EAST国际顾问委员会在对现场考察后认为, “这一杰出成就是全世界聚变能开发的重要里程碑”。委员会“对EAST的高质量建设留下了深刻印象。在如此短暂的时间内完成设计、预研、建设和试运行, 成就了世界聚变工程的一个非凡业绩。它极明确地预示着中国对ITER的贡献”。委员会认为:EAST是世界上唯一运行的、拥有与ITER类似的全超导磁体的托卡马克, 尽管经费极少, 但它的快速建成、迅速发展和首次运行是一个了不起的成就, 展示了中国科学院团队在物理和工程方面的能力。
十年内，可控核聚变将在中国“点灯” .百家号.2023-11-30
长三角合力撑起创新脊梁.上观.2023-11-30
新华全媒+｜我在新春“晒太阳”——走近全超导托卡马克核聚变实验装置 .百家号.2023-11-30
我们离可控核聚变还有多远?.上游新闻.2023-11-30
回眸 | 2006年9月28日，新一代“人造太阳”装置EAST成功放电.澎湃新闻.2023-11-30
新华全媒+|403秒!中国“人造太阳”获重大突破.新华网.2023-11-30
可控核聚变，离我们还有多远?.山西新闻网.2023-11-30
403秒新纪录，中国“人造太阳”如何做到.中国科学院.2023-11-30
[大国重器-中科院重大科技基础设施]超导托卡马克核聚变实验装置.中国网.2023-11-30
磁约束核聚变与EAST超导托卡马克.科学智慧火花.2023-12-02
【每日科普】人造太阳——全超导托卡马克核聚变实验装置 .微信公众平台.2023-12-02
EAST.中国科学院等离子体物理研究所科普网.2023-12-02