【菜科解读】

　　EAST的母体里嵌入了中国科学家太多自主创新的成果：从设计到建设，整个项目的自研率在90%以上，取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。

　　中科院等离子体所已经不仅仅是聚变装置部件的提供者，更是不少国际核聚变实验装置的提供者与合作者。

　　1亿摄氏度，1000秒。

这两个数字是盘桓在中国科学院等离子体研究所（以下简称等离子体所）核物理科学家和全球科学界面前的两座难以跨越的山峰。

　　因为要让核聚变为人类所利用，就意味着要把氘、氚的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度，并至少持续1000秒，才能形成持续反应。

而这正是等离子体所大科学装置"东方超环"（EAST）的使命。

　　资料图：人造太阳计划

　　如果说起EAST的学名大型非圆截面全超导托卡马克装置，可能没有多少人知道；

但是如果提起"人造小太阳"，很多人都会竖起大拇指。

　　在这个集合了世界上多领域科研难题的平台上，等离子体所的核物理学家与国际科学界牵手，向一个个极限发出挑战，不断向全球未来能源研究的最高峰冲刺。

　　与极限竞技

　　日前，在等离子体研究所一个轰轰隆隆的实验大厅里，科研人员正围绕着一个三层楼高的庞然大物忙碌着。

　　"这是EAST的主机部分，高11米，直径8米，重400吨，主要用来探索实现聚变能源的工程、物理问题，为未来能源发展提供新思路。

"等离子体所所长李建刚向参观大科学装置的一行人介绍说。

　　"当前，我国每年要烧100万吨煤发电，如果用核裂变代替煤电能源一年需要5吨铀，但用核聚变一年只要100公斤的重水。

"他解释说。

取自于海水的氘和氚元素不仅成本低，资源丰富，而且没有任何辐射，是安全和清洁的未来能源。

　　资料图：人造太阳计划

　　"EAST作为世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置，集中了超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超高真空五个极限。

"等离子体所一位科研人员说。

　　每一个极限都是科研的高精尖难题，挑战极限就意味着开拓创新。

从1996年至今，EAST的母体里嵌入了中国科学家太多自主创新的成果。

　　"从设计到建设，整个项目的自研率在90%以上，取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。

"李建刚说。

近期，等离子体所刚刚被评为全国创新团队。

　让2000万摄氏度等离子体持续400秒，这是目前EAST取得的成绩，也是当前国际核聚变反应最好的成绩。

"EAST必将对国际热核聚变实验堆计划（ITER）及下一代聚变装置产生更多世界级的、独一无二的贡献。

"在今年5月EAST第五次评估中，国际顾问委员会如是评价。

　　事实上，与全球规模最大的能源合作项目ITER相比，EAST只有其1/4大小。

但麻雀虽小，五脏俱全，EAST的成功经验已经支撑了ITER的建设。

如研制出可通过90千安电流的高温超导电流引线，使ITER致冷电耗每年减少2/3以上；

证明ITER磁体电源设计方案存在的风险，并设计出新方案。

　　资料图：人造太阳计划

　　"目前，中国在ITER七方采购包进度中已成为第一位。

在核聚变领域，中国人再也不是可有可无的‘小角色’。

"李建刚自豪地说。

现在，科研人员正在对EAST进行全方位的升级改造，为2014年新一轮的物理实验作准备。

　　从日、俄竞争者手中赢得"大单"

　　在基础科研创新的同时，EAST也带动着我国核聚变相关高科技加工业的发展。

　　在等离子体所超导导体生产大厅中，李建刚指着堆叠了两人多高的环形导体告诉记者："这些导体每一根价值都在3000万元人民币以上。

"这些外表看起来再普通不过的导管，却内藏乾坤：每根线管里都是1000根头发丝一样细的导线拧成的超导电缆。

　　这些超导线可谓EAST和ITER的"生命线"。

因为地球上再耐热的材料也会被核心区1亿摄氏度的聚变反应烧化，而要让反应和装置内壁保持一定的距离就离不开这些超导线。

"它们每秒可以通过6万安培的电流，产生10万高斯的磁场，形成一个强大的‘电磁笼’，把等离子体悬浮起来。

"李建刚解释说。

　　资料图：人造太阳计划

　　据介绍，每一根导体都要经过搅缆、穿缆、焊接、检测等多道工序，对工艺要求更是可以用"苛刻"二字来形容。

如导管焊缝背面成型厚度不得超过0.1毫米；

而在运往日本、法国之前，每根导管还要充满氮气检测其密封性

　　然而，在EAST建立之前，这项技术尚未诞生。

"当时，我国建国以来的超导线总共加起来才有26公斤；

而现在除了供给ITER每年所需的150吨预定以外，产量还绰绰有余。

"李建刚对比说。

　　ITER很多部件都代表着高附加值，是国际竞争的热点。

就在今年9月份，等离子体所刚从日本和俄罗斯两个竞争者手中赢得一个"大单"：为欧盟研制ITER专用的极向场超导线圈。

　"这个线圈重396吨，比EAST所有的线圈加起来还大。

三方中，俄罗斯竞标价最低，而我们的价格比日本人还高100万元人民币，很多人觉得不可思议，但我们是以技术和质量取胜。

中国人‘卖白菜’的历史一定会尽快地结束！"李建刚语气坚定地说。

　　资料图：人造太阳计划

　　除此之外，等离子体所还负责为ITER提供控制电源、超导校正场线圈等70%以上的中国采购包，由此带动了一批国内先进制造业公司的发展。

　　"以前，外国人总认为中国的加工制造质量不高，现在在等离子体所的带动下，我们也可以吐气扬眉了。

"在合肥科烨公司加工车间，一位吴姓经理对《中国科学报》记者说。

　　30年恒守"大科学文化"

　　为了让中国在世界聚变研究的前沿领域占据一席之地。

30年来，等离子体所一直把敢于创新、争取一流、自力更生、上下一心、甘于奉献的"大科学文化"作为不变的价值定位。

　　据李建刚介绍，如果时光倒流至1990年，彼时等离子体所老一代科学家用40个火车皮拉着400万元人民币的生活物资，与俄罗斯科学家换得部分超导工程装置托卡马克T7。

　　历时3年半，我国科学家将这个原本不具备物理实验功能的装置成功地改造成能够开展稳态高参数实验的全球第四个超导托卡马克装置HT-7。

　　资料图：人造太阳计划

　　在此基础上，等离子体所科研人员再接再厉，仅用10年时间，就自主设计和建造出世界上首个全超导托卡马克装置EAST。

　　从T7到EAST，集中了等离子体所老中青三代科研人员的智慧、心血和汗水。

现在，等离子体所已经培养了一批核聚变国际领军人才。

"有3人晋院士、两人入选‘万人计划’、引进‘千人计划’4人、‘百人计划’12人。

"李建刚如数家珍。

同时，该所已经培养了1000多名研究生，分散在全世界各地。

　　等离子体所恒守的第二个价值定位就是广迎四海的开放精神。

在李建刚看来，核聚变离不开国际合作，而国际合作一要靠实力，二要互赢互利。

　　"以前是我们带着方便面跟着人家学习，现在得益于国家支持和EAST建设，基本上都是国外科学家来我们这里做实验。

"李建刚说。

现在，等离子体所已经不仅仅是聚变装置部件的提供者，更是很多国际核聚变实验装置的提供者与合作者。

资料图：人造太阳计划

　　鉴于对能源的大量需求，我国下一个核聚变装置——中国聚变工程试验堆（CFETR）有望在2020年前后启动，现在装置正在紧锣密鼓地设计中。

"我今年52岁，到退休还有13年，希望退休之前，可以把这件事情做好。

"李建刚满怀信心地笑着说。

托卡马克：人造太阳的 “磁约束熔炉”

一、名字与起源名称含义：俄语缩写，全称 “环形真空室磁线圈装置”（环形 toroidal、真空室 kamera、磁 magnit、线圈 kotushka）。

诞生：1950 年代由苏联库尔恰托夫研究所发明，1954 年建成首个装置 T-1，1968 年 T-3 装置突破关键温度，奠定主流地位。

二、核心原理：磁场 “牢笼” 困住上亿度等离子体核聚变需要1 亿℃+高温，没有任何材料能直接接触，托卡马克用磁约束解决：环形真空室：形似 “轮胎”，内部抽成真空，注入氘氚燃料（氢同位素）。

三重磁场约束环向磁场：外部环形线圈通电，产生绕真空室的 “跑道型” 磁场，防止粒子径向逃逸。

极向磁场：中心螺线管线圈（变压器初级）感应出等离子体电流（变压器次级），电流产生垂直方向磁场，约束粒子纵向运动。

螺旋磁场：两种磁场叠加，形成螺旋形磁力线，让等离子体粒子沿磁力线螺旋运动，牢牢锁在中心，不碰内壁。

加热到聚变温度欧姆加热：等离子体电流自身电阻产热（类似电炉丝）。

辅助加热：微波、中性束注入（高速氢原子束），把等离子体从千万度加热到 1 亿℃以上，满足氘氚聚变条件。

聚变反应与能量输出氘 + 氚氦 + 高能中子 +17.6MeV 能量。

带点粒子（氦核）被磁场约束，维持高温；

不带电中子穿透磁场，撞击内壁 “包层”（锂材料），动能转化为热能，加热水成蒸汽，驱动发电机发电。

副产品：氦气（无放射性），锂受中子轰击还能再生氚，形成燃料闭环。

三、关键结构真空室：环形，耐高温、防杂质污染。

磁体系统：环向线圈、中心螺线管、极向线圈，多为超导材料（如铌钛合金），降低能耗。

包层：内壁核心部件，承担能量捕获 + 氚增殖双重任务。

偏滤器：排出杂质和废热，保护真空室。

四、代表装置EAST（东方超环，中国）：世界首个全超导托卡马克，2021 年实现1.2 亿℃维持 403 秒，稳态运行全球领先。

EAST东方超环托卡马克装置ITER（国际热核聚变实验堆，法国）：全球 7 方（中、欧、美、俄、日、韩、印）共建，人类最大托卡马克，目标 2035 年首次氘氚聚变，实现输出能量 > 输入能量（Q>10）。

ITER国际热核聚变实验堆JET（欧盟）：历史最久的大型托卡马克，1997 年创下Q=0.67（输出 / 输入）纪录。

五、核心挑战稳态约束难：上亿度等离子体易失控、逃逸，需长期稳定约束（目标数千秒）。

能量增益低：目前实验Q 输出），需突破Q>10才能商业化。

材料寿命短：中子轰击、高温等离子体冲击，内壁材料易损伤。

氚自持难：氚天然稀缺，需高效增殖技术实现燃料自给。

六、优势与前景优势：燃料（氘）取自海水，储量几乎无限；

无碳排放，放射性废料极少（远低于裂变），安全性高。

前景：若 2035 年 ITER 达成目标，2050 年前后有望建成首座商业聚变电站，彻底解决人类能源危机。

黑洞里面是什么？人造黑洞或可模拟黑洞吃太阳

目前，全球已有多个科研机构正在加紧实施人造黑洞项目，黑洞吞噬地球，甚至黑洞吞噬太阳的可能性，都可能通过人造黑洞模拟来加以验证。

黑洞里面是什么？人造黑洞或可模拟黑洞吃太阳 据了解，人造黑洞的设想最早提出于20世纪80年代，由加拿大不列颠哥伦比亚大学的威廉-昂鲁教授提出，他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似，如果使流体的速度超过声速，那么就可以在该流体中建立一个人造黑洞。

美国加州大学物理学教授史蒂夫-吉汀斯是这方面的专家，他对人造黑洞进行了认真分析，他认为：人造黑洞毁灭地球的理论纯粹是小说和电影里的虚构，真正的粒子碰撞制造出的人造黑洞不可能吞噬地球。

黑洞里面是什么？人造黑洞或可模拟黑洞吃太阳 粒子加速器，也被称之为大型强子对撞机(LHC)。

位于法国和瑞士交界处的世界上最大的粒子物理研究中心欧洲核子研究中心(CERN)已经开始在一个将近17英里长的圆形隧道里面建造这个被人们称之为世界最大的"黑洞工厂"的装置。

吉汀斯教授在报告中称，欧洲的科学家很快就会利用粒子加速器制造出人造黑洞。

目前欧洲核子研究中心的蒙加诺教授与吉汀斯教授的科研小组进行合作正在建设建设世界上最大的粒子加速器(对撞机)，而这个粒子加速器(大型强子对撞机)是世界上最先进的粒子研究工具，项目耗资80亿美元，历时14年之久，汇集了世界各地最著名的物理学家。

黑洞里面是什么？人造黑洞或可模拟黑洞吃太阳 科学家们将在实验中撞击质子，模拟宇宙大爆炸后一万亿分之一秒内的能量和条件，接着细致分析撞击产生的残骸，用以探求物质本质的线索和自然中新的力量和平衡。

吉汀斯认为，今年夏天如果人类首次制造出人造黑洞，也不会产生什么重大影响。

吉汀斯和蒙加诺两位教授在进行深入研究后得出结论：利用粒子碰撞产生的黑洞是无害的。

因为，所有的黑洞都要释放出宇宙射线，小的黑洞所释放的物质要远远多于其吸收的物质，因此，在它们吸收物质之前自己就早已瞬间蒸发了。

黑洞里面是什么？人造黑洞或可模拟黑洞吃太阳 事实上整个宇宙原本就是一个类似的粒子对撞机器，具有高能量的宇宙射线和粒子会经常碰撞在地球的大气表层、太阳或者是其它的白矮星和中子星的表面，每时每刻都在发生着这样的粒子碰撞。

如果这些粒子碰撞会产生危险的话，天文学家很早就会发现这一现象并对其展开研究。

其实一直以来地球就沐浴在足够可以形成黑洞的宇宙射线和粒子对撞之下，但地球一直也都没有被摧毁。

而且，几乎所有粒子加速器生成的黑洞都必须达到足够的速度才能逃脱地球的重力，即使一年生产出1000万个黑洞，也大约只能捕捉到其中的10个，让它们围绕加速器中心运转。

黑洞里面是什么？人造黑洞或可模拟黑洞吃太阳 而这些被捕捉到的黑洞又是如此的渺小，假设让它穿过一块相当于地球到月球距离厚度的铁块，它也不会撞倒任何东西。

它们吞噬一个质子也需要大约100小时的时间。

一个这样的黑洞吞噬100个质子大约需要花费一年的时间，因此，要吞噬1毫克地球物质就需要花费比宇宙年龄还要长的时间。

科学家表示，假如大型强子对撞机(LHC)在今年生产出了黑洞，那么它就证明了宇宙确实存在除空间和时间以外的维度。

吉汀斯承认，地球的未来以及人类的生命安全和健康都令每位科学家非常担忧。

特别是关于人造黑洞风险的争论，现在已经是一个非常具有争议的物理话题。

黑洞里面是什么？人造黑洞或可模拟黑洞吃太阳 特别是已经有科学家指出，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机产生黑洞的风险足以吞噬地球，或者将产生一类名为"奇异微子"(Strangelet)的粒子，将地球变成一团沉寂、收缩的"奇异物质"。

还有很多政治家担心这种人造黑洞的技术被恐怖分子利用，成为继原子弹和氢弹之后人类最具有毁灭性的武器。

但是，吉汀斯肯定的说：现代物理学无法在地球上制造出具有破坏性的黑洞。

"欧洲建立大型强子对撞机(简称LHC)，是为了揭开宇宙大爆炸之谜，而不是制造黑洞毁灭地球。

"