概述
人造太陽是指科學家利用太陽核反應原理，為人類制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”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離子的等離子體）。
太陽的光和熱，來源于氫的兩個同胞兄弟——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。氫彈是人們最早制造出的“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，然後在這麼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。但是隻能短暫地運行，也就是這個“磁籠”隻能存在幾秒、十幾秒鐘。
研制曆程
20世紀初，愛因斯坦預見了在原子核中蘊藏着巨大的能量。依據他提出的質能方程E＝mc2，核聚變的原理看上去極其簡單：兩個輕核在一定條件下聚合成一個較重核，但反應後質量有一定虧損，将釋放出巨大的能量。
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，并釋放出一個中子和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，于1954年建成了第一個磁約束裝置。他将這一形如面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”，像一個中空的面包圈，可用來約束電離了的等離子體。
托卡馬克中等離子體的束縛是靠縱場(環向場)線圈，産生環向磁場，約束等離子體，極向場控制等離子體的位置和形狀，中心螺管也産生垂直場，形成環向高電壓，激發等離子體，同時加熱等離子體，也起到控制等離子體的作用。
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，它們都隻有縱向場線圈采用超導技術，屬于部分超導。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态運行的裝置，在放電時間長達120秒的條件下，等離子體溫度為2000萬攝氏度，中心粒子密度每立方米1.5×1019個。
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，在改善磁場約束和等離子體加熱上下足了功夫。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，解決了等離子體粒子的側向漂移問題。世界範圍内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。特别是歐洲的JET已經實現了氘、氚的聚變反應。
1991年11月，JET将含有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，産生了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，擁有的世界最大激光器的美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室所謂的“人造太陽”項目取得重大進展，人造太陽已經可以成功産生熱量，産生的這種熱量是類似恒星内核的熱與力，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(用于引發核聚變反應)吸收的能量多。這項發現标志着核聚變能源将步入新時代，研究的下一個目标将會是實現“總增益”，即系統産生的能量必須超過進入系統的能量。
原理
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，并放出大量能量。幾十億年來，太陽猶如一個巨大的核聚變反應裝置，無休止地向外輻射着能量。
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，産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，通過聚變反應産生的能量相當于300升汽油的熱能。采集氘并使之與相關物質聚變産生能量，就是人造太陽的原理。
人造太陽計劃
從20世紀50年代初，美國和蘇聯分别開始秘密地研究可控的核聚變，因為核聚變反應堆不僅可以獲取用之不絕的能源，還可以用作穩定的中子源，例如可用來生産核裂變原料。但理論研究和實驗技術上遇到一個又一個難以逾越的障礙，不久獨立進行研究的各國就認識到這件事并不容易，隻有開展廣泛的國際合作才是加速實現核聚變能利用的可行之路。随後逐漸相互公開研究資料和進展，開始了合作之路。即使在冷戰時期，其他核技術都是相互保密的，惟獨熱核聚變技術是相互公開的。
1985年，美國總統裡根和蘇聯總統戈爾巴喬夫，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劃，要求“在核聚變能方面進行最廣泛的、切實可行的國際合作”。戈爾巴喬夫、裡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，讨論加強核聚變研究的國際合作問題，并達成協議，四方合作設計建造國際熱核實驗堆，并由此誕生了第一個國際熱核實驗堆的概念設計計劃。計劃将于2010年建成一個實驗堆，預期産生熱功率1500兆瓦、等離子體電流2400萬安培，燃燒時間可達16分鐘。
随後，由于蘇聯的解體，計劃受到很大影響，1999年美國的退出使ITER計劃雪上加霜。日本和歐共體國家于是成為支持國際磁約束聚變研究計劃的主體力量。經過多年的努力，ITER工程設計修改方案也終于在2001年6月圓滿完成。
根據計劃，首座熱核反應堆将于2006年開工，總造價為約40億歐元。聚變功率至少達到500兆瓦。等離子體的最大半徑6米，最小半徑2米，等離子體電流1500萬安培，約束時間至少維持400秒。未來發展計劃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劃，中國也于前一個月正式加入該項計劃的前期談判。19日，國際熱核實驗反應堆計劃參與各方在俄羅斯聖彼得堡決定，将于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、南朝鮮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，加拿大政府随後宣布，由于缺乏資金退出該項目。
ITER的相關會議确定，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确定。
盡管ITER計劃采用了最先進的設計，綜合了以往的經驗和成果，比如采用全超導技術，但它的确還面臨重重挑戰。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标也還是個未知數。諸如探索新的加熱方式與機制為實現聚變點火，改善等離子體的約束性能，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、長脈沖H-模的維持、中心區雜質積累等工程技術難關還有待于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。
中國EAST項目
EAST是先進超導托卡馬克實驗裝置（Experimental Advanced superconducting tokmak）的英文縮寫。ITER裝置是一個能産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計劃把上億攝氏度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達837立方米的磁場中，産生50萬千瓦的聚變功率，持續時間達500秒。
EAST于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，該項目的科學目标旨在探索近堆芯條件下等離子體穩态運行模式，從而為未來穩态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。中科院合肥研究院等離子體所的科研人員經過8年艱苦努力，于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、大拉長比偏濾器等離子體等多項實驗成果。
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，創造了多個國内乃至國際第一。如铠裝電纜超導導體（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，等離子體所自主生産了EAST所需的總長度達35公裡的大電流CICC導體，這不但使中國的CICC制造技術處在世界先進行列，産量達世界第一，同時創造性地發展了無焊瘤管—管對接焊技術、薄壁焊縫超聲波檢測技術等一整套大型超導磁體制造工藝，全面提升了中國大型超導磁體設計、制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制造、大規模超低溫制冷技術、任意可控的急劇變化大電流設備技術等，這些都屬國内首創并達到國際先進水平。
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裡程碑”，“EAST是目前世界上唯一投入運行并擁有類似于即将建設的國際熱核聚變實驗堆（ITER）而采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。這标志着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秒長脈沖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、研制了關鍵部件，建成的輔助加熱系統其輸出功率、運行脈沖長度等參數均達到或超過設計指标，擁有完全獨立知識産權，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将具有運行在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等離子體的能力，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)安全運行和穩态實驗提供強有力的支持，從而使我國在穩态高性能等離子體物理的科學研究計劃中處于世界前沿地位。
前景意義
1952年，當第一顆氫彈爆炸之後，人類制造核聚變反應成為現實，但那隻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，每年隻需要從海水中提取304公斤的氘就可以産生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！
當今世界，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計劃，或許也是一個别無選擇的計劃，将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将來臨。
