央视新闻4月2日报道，近日，被称为中国“人造太阳”的大科学装置“东方超环”（EAST）首次实现了1亿摄氏度运行近10秒。

详情请看视频：李建刚院士 |中国的人造太阳:点燃一亿度,目标一万年!

EAST取名自“Experimental”（实验的）、“Advanced”（先进的）、“Superconducting”（超导的）、“Tokamak”（托卡马克），且有“东方”之意，是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。

“人造太阳”究竟是什么，真像太阳一样么？当前，全球依赖的主要能源如石油、天然气等，终有一天将耗尽，而核聚变则能够产生巨大的能量。若能掌控并利用核聚变，产生源源不断的新能源，就好比创造出了一个“人造太阳”。50年来，人类渴望在地球上实现太阳内部核聚变的模拟，期望能够把惊人的能量稳定地输送给电站。

我国也有这样一群科学家，在一个岛上，几十年如一日，不甘寂寞，追逐着中国的“人造太阳”之梦。中国工程院院士李建刚，长期从事磁约束聚变研究，在合肥科学岛上耕耘几十年年，参与主持完成了EAST装置工程设计和建设。2016年7月，李建刚院士曾做客“墨子沙龙 & SELF讲坛·2016创新大会”，讲述核聚变与“人造太阳”。以下为演讲视频和内容。

大家好，我是来自合肥的李建刚。

刚刚放了一个短片，说什么是人造太阳，尤其是拗口的托卡马克，大家有多少听得懂的？听不懂的举手我看看。绝大多数都听不懂！

实际上大家都知道太阳，但什么是人造太阳？我今天给大家好好讲一下。

你们肯定看过钢铁侠，钢铁侠里面有一张图可以看到，这个就是我们人造太阳叫托卡马克，像一个磁线圈一样。如果你把气体加热到上亿度以后，它就会发生聚变，可以像太阳一样能够发出巨大的能量。

这是科幻小说里面的一张图，如果把它放在现实版的话，那就可以看到在中国有两个人造太阳，一个在合肥另外一个在成都，分别叫合肥超环和中国的环流器1号。

太阳为我们人类产生了很多光和热，万物生长靠太阳。我们实现聚变一个不可控就是氢弹。氢弹不能轻易的爆炸，要用原子弹去把它点一下，点到上亿度以后才有可能发生爆炸。

怎么能够实现人造太阳？你想想上亿度的温度，要把它装到任何容器上面顷刻之间烟销云灭。科学家就想了一个办法，我把一团火球上亿度的等离子体，如果用磁的方法把它悬浮起来，跟周边的任何容器材料不接触，这个时候就可以把它加热、控制，进而实现太阳。长的模样就像你们吃的甜圈圈。

现实中我们用这些非常复杂的仪器，把上亿度的东西放在中间，这样就可以持续地加热，讲讲很容易但是非常难。

你可以看出来我们首先需要巨大的磁场，这个磁场要比我们地球南北级的磁场高两万倍以上，就是磁场越强可以越容易的收得住。之所以人类没有遭到来自太阳风这种粒子的损害，主要就是靠磁场把这种带电粒子无形之间被屏蔽起来。

我们现在就是要比地球再产生上万倍的磁场让这团气体悬浮起来。它用的燃料是什么？是海水里面氢的同位素叫氘和氚，海水里面存在的氘有多少呢？可以为我们人类一千个电站使用上百亿年，也就是说资源是无限的。一杯水里面产生的氘和氚，如果用爱因斯坦的公式计算的话也就是E=mc2,相当于300公升汽油。我开车从合肥过来再回去，还用不完这个汽油。

它的好处在哪里？

首先它没有这种高放的废料，大家知道我们现在用的裂变电站都是化石燃料，尤其是235，238，一旦发生事故以后，有长达上百万年的放射性的废料。

聚变的产物是什么？

聚变就是一个能源中子和氦气。氦气是非常清洁的，当年习总书记到我们当地参观时就问：为什么说聚变是固有的安全性？那个时候是刚刚发生了福岛核事故一个月。

我说我们非常小的概率事件，就是地震加上海啸碰在一起，可能很多万年才出现一次，但是未来最有可能发生的不是这个，是恐怖分子——有可能恐怖分子开个飞机或者什么东西就把你炸了，聚变电站我不怕，你炸好了，你炸了以后我可以在两分钟内走到现场。因为它的产物就是氦气，只要一停机就没有了。

总结一下，它作为资源来讲是无限的同时它又是清洁的，所以长期以来被人类或者科学家认为是未来人类终极能源之一，可以大规模生产。

未来可能有20%的可再生能源，但最大规模的一块80%一定靠聚变来维持。大家可以看到一年一个一百万千瓦的电站，大约上海只需要两个这样的电站。我们需要多少东西呢?一年一个电站只需要一百公斤的重水和锂,如果你要是换成煤电站的话,一个电站一百万千瓦需要50万吨,要是核电站的话30吨。100公斤跟50万吨那是什么区别？

这就是我们聚变电站的原理。你首先要有这个磁笼子，把它形成一个等离子体，用非常高的温度的东西把它加热到上亿度，加热到上亿度以后就产生氦和中子，这个中子就跑到包层材料里面把这个加热，加热以后我们通过水把它转换成蒸汽，通过蒸汽把电给发出去。这就是一个简单的聚变的发电原理，讲讲容易实际上做起来还是非常之困难。

我们人类在这个方向一共做了50年，实际上我们进展还是挺大。大家可以看到有两个比较好的大家都熟悉的，刚刚陈老师讲的计算机，计算机1.8年它的CPU的速度翻一倍。

我们基本上做到了什么？我们也是跟它一样比它快两个月，差不多16～17个月左右的时间，综合参数也能够翻一倍，只是聚变最大的一个问题就是离实现还很遥远，没有像计算机这样家喻户晓，但是也应该说，聚变在过去的50年中发展得也是非常非常之快。

几个代表的成就就是在一些发达国家。像美国欧洲和日本，他们在一些大装置上面都同时实现了可控的核聚变。什么叫可控的就是跟人没有关系？科学嘛就是可重复。就是我做也行，陈老师去做也行，潘老师去做也行，都是同样的结果，跟你是什么仪器也没有关系。只要是一样的仪器，美国的人造太阳欧洲的人造太阳还有日本的，结果都是一样的可重复，这就是我们做的科学。

我们做到的话，比如说输出的能量比上输入的能量等于1.25，就是说我已经有了净的输入。这个是什么意思呢？就是说从科学上已经验证了这种事儿是可行的，但是工程上可不可行还不知道。

为什么所有这些结果都是在两三秒钟实现的？为什么？就是因为我们产生的这个磁笼子是用常规的铜线做的，它消耗了大量的能量。未来要发电不可能就两三秒钟，必须是长时间的。怎么样不消耗能量呢？如果我把它温度降下来电阻等于0，一旦电阻等于0的话，这个消耗的能量顷刻之间就降到0，那么我们就非常容易地拿到了聚变能量。

但是说说还是比较容易的，做起来还是比较难的。中国很多年前我们就开始做聚变。我刚才说了，这个托卡马克不是中国人的发明，最早是苏联人的发明。苏联人在90年代初期在89年的时候，他们想做一套超导托卡马克，把他们的马克装置机器有意地送给中国，我们当时的所长说这是一个很好的机会——因为当时我们毕竟啥都不会——就用400万人民币的羽绒、服瓷器、好的中国的家具，给他换来了1800万卢布的这么一个装置。

当时这个装置还是比较好的。为什么？因为在那个时候一个卢布相当于3.6美元，我们花了一年半的时间把它全部拆掉，又花了两年的时间把它装起来，在这上面做了大量的实验，应该说还是不错吧。因为其他国家都做得几秒钟，我们在这个装置上面做多60秒钟，60秒钟一千万的时候就获得了全国的十大新闻。

但是这个还不行，还不能够做到所有的线圈的电阻都等于0，这个时候我们就要做超导。什么叫超导呢？就是你要把上亿度的磁笼子这一团火球，悬浮在-269度的这么一个圈子里面。你可以想想看，等于说我们有个极端，一个温度的108以上一亿度以上，这个温度虽然没有刚才陈老师的那个冷，但是它也是非常冷的4K，也就是零下269℃，这个还是非常难。第二个它一旦发生聚变的时候——大家都看过氢弹爆炸，只要它发生爆炸的时候，（就有）强烈的冲击波，它跟周边(就是你悬浮起来也不行),它跟材料也是强相互作用，你的控制要非常之精确，精确到零点几个毫米和零点几个毫秒以下，否则的话只要一偏心，碰什么烧什么。

所以你看这件事真是难，难于上青天。为什么?因为美国人在60年代已经上了天登了月,但是美国人到现在也没有做出这么一个真正能够发电的人造太阳,就是因为特别难。

从对能源的需求来讲，中国比对任何一个国家都需求能源。尽管我们很穷，但是我们几任国家领导人都觉得这件事中国人一定要做。所以在90年代初我们就提出这个想法，在全世界率先做一个全超导的托卡马克叫东方超环，能够长时间的，不是几秒钟、一百秒、一千秒、一万秒钟、一天、两天、几个月……能够做到多少呢？能够做到上亿度，比太阳心部的温度还要高五六倍！

这是我们当年提的。这就是在九五的大工程，在国内一百多个提议中间终于胜出，然后我们开始做这么一个装置。做这个装置第一要解决的你怎么样去解决上亿度和零下269度。江泽民同志到我们所去的时候，他也问了这么一个问题。

（解决）上亿度和零下269度，很多技术必须要用在一起。首先，真正的上亿度要用磁场把它悬浮起来。最高温度的东西，要把它悬浮起来，就是这个超导，全部是线圈。悬浮在中间以后，等离子这一块，有个火球——蜘蛛侠那个球，它要到处跑的，温度越高要到处跑，你可以看到太阳，今天的太阳黑子来了，明天那个又来了——它只要跑得过程中间，一定要想办法控制住，控制它一定要待在中间，不能够上下跑，悬浮在中间。不跑的情况下，才不会把材料烧坏掉。这个线圈就是这些线圈。

除此之外，大家都知道能量的损失靠传导、对流和辐射。我们用的最小的辐射损失，就是把它全部用真空。在这里我用五层真空，就是最大的保温炉、保温杯，每一层把它抽成真空，实现了一亿度和零下269度这么一种结合。

应该说做这件事也是不容易的，全世界没有人做，所有的东西都是我们自己做，当时国内的经济不像现在这么好，当时万元熙院士带领我们整个团队做了整整十年，突破了很多难点，终于在2006年得到了等离子体。这个量的话，（大概）几百万度，只有几秒钟时间。

但是我刚才说了，我们实现的目标，不能够只是几百万度几秒钟，我们想做得更长。难度在哪里？材料！所有这种材料的话，聚变这件事情，几乎所有的技术都要用到地球上的当今世界技术的极致。比如说，我们采取的材料就是最硬的一种合金——钨合金。在这个空间里面，我们要加上上亿的温度让它悬起来，同时还要防止有冲击波这种形式，只要有这种冲击波的强放射，要赶快把它拿走、抽走。这里面用的大抽速是零下269度的低温棒。

应该说很多的技术，我不在这儿一一说。

现在我们这个装置长成这个样子。多大呢？整个舞台这么大，看上去颜值还是挺高的。就是说，别想着我们做科学家都是一些傻大粗的，我们这些钢铁的东西堆在一起也可以很美丽，有了这些东西以后，全世界就觉得我们应该去做一个更大的，演示它的工程可行性。

大约在1985年，里根和戈尔巴乔夫——尽管是冷战的时候，他们也谈了一件事情，象征着人类美好的一件事——就是说我们在地球上建一个人造太阳，这个人造太阳是50万千瓦，就跟现在的发电站差不多。

经过谈判一共有七方（参加），欧盟占最大一块45%，其他的六方，中国、日本、美国、韩国、印度、各占9%，出资100亿美元，要在法国Cadarache（卡达拉舍），就是离前两天发生恐怖袭击不到150公里的地方，建这么一个世界上第一个真正意义上的人造太阳，叫国际热核聚变实验堆ITER，也要运行20年能够在大规模的、几十万千瓦的基础上运行很长的时间。这个就是要验证聚变的工程可行性，刚才的东方超环只是验证实验的可行性。

到底规模有没有这么大，有这么大的规模以后行不行？这里面牵扯到特别多的技术。这是中国参加的最大的一个国际合作项目。我刚才说了价钱是100亿欧元，中国9%，也是9亿欧元，也是很大的一个数字。

它里面首先要形成这个磁笼，一共有18段，像一个橘子瓣的东西，这是个什么概念，波音747重量370吨，这一个线圈它大约也是在360吨左右，价钱真是差不多。什么叫差不多呢？波音747是2.6亿美元，这个大概是2.8亿欧元。

我们国家在参加这个ITER之前，我们只能生产短样。绕这么一个线圈，里面要将近十万米导线150吨，我们国家在参加这个国际合作之前，四十年之间只产生了36公斤短样，短样就这么长一点，全部的家当全部加在一起才这么一点。

我们通过ITER现在可以做到，特别是国内的企业发展得非常好，已经形成了全世界技术最先进，规模最大，然后产量最大的。这是在西安，叫做西北有色金属研究院，西部超导公司，它现在可以一年就生产150吨。然后除此之外，它把这个国内的核磁共振的、GE的所有这些线 几乎超过一半的都是它在供应，还有通过材料的合金，把飞机的起落架，尤其是我们国家航母的歼15的起落架——大家都知道，落在地的一刹那的冲击力非常之大，所以对材料的要求非常之高——那么用这种我们用在ITER上面的材料，终于解决了航母的起落架的问题，这是一个例子。

第二个例子，刚才说的上亿度的东西，第一层屏蔽我们把它叫核导，长成这个样子，像多脚的怪兽一样。它是多少？如果说在一百年前埃菲尔铁塔7300吨，那这个是8000吨，这个材料比这种材料要难得多，它首先要降到零下269度，就是极低温，同时它要耐强辐射，这是一种特殊的不锈钢。我们国家在参加ITER之前，从来没有生产过，通过参加ITER之后，通过跟国际合作，山西太钢通过几年的工作，现在可以年产15000吨，得到了很大的发展。

可以看得出来，国际合作不光是聚变，尽管聚变能离我们很遥远，但是中间产生的过程和技术都能够非常好的用在国民经济上。经过这么二三十年，中国做聚变是一个晚到者，我们大概做了三十年。过去在科技部的领导下，我们也做出了一个。

未来中国的聚变到底怎么做，相信你们在座的几乎每一个人都要问我，跟三任总书记问我的同样一个问题：咱们的聚变到底什么时候才能实现？我们现在正在做这种实验的装置，正在参加ITER，希望十年以后建造中国自己的工程堆，才能够演示发电。

有了这个东西以后，在50年到60年之间能够商用化，整个发展的路线，就像这张图上面所显示的，基本上就是这么一个时间尺度，这是我们设计的中国工程聚变堆，这个堆里面有一个主机装置。

整个堆跟这个大厅差不多吧，体积也就是这么大，这个设计的寓意，象征展翅腾飞的大鹏，象征着人类追求聚变的梦想，象征我们中华民族腾飞的梦想。经过二三十年的努力，这一次真正的人造太阳会冉冉得升起，对中国来讲——我觉得大家都知道，我们对聚变的需求比任何一个国家都急迫，特别是像中国这样的高速发展的发展中国家。因为我们的环境、我们的资源。

未来中国的聚变到底怎么做，相信你们在座的几乎每一个人都要问我，跟三任总书记问我的同样一个问题：咱们的聚变到底什么时候才能实现？我们现在正在做这种实验的装置，正在参加ITER，希望十年以后建造中国自己的工程堆，才能够演示发电。

有了这个东西以后，在50年到60年之间能够商用化，整个发展的路线，就像这张图上面所显示的，基本上就是这么一个时间尺度，这是我们设计的中国工程聚变堆，这个堆里面有一个主机装置

整个堆跟这个大厅差不多吧，体积也就是这么大，这个设计的寓意，象征展翅腾飞的大鹏，象征着人类追求聚变的梦想，象征我们中华民族腾飞的梦想。经过二三十年的努力，这一次真正的人造太阳会冉冉得升起，对中国来讲——我觉得大家都知道，我们对聚变的需求比任何一个国家都急迫，特别是像中国这样的高速发展的发展中国家。因为我们的环境、我们的资源。

最后一张片子，这是从卫星上拍得一张地球的片子。大家可以看到美国、欧洲、日本都很亮，为什么？因为他们已经是发达国家，已经被过去的文明所照耀，那么还有很多地方是黑的，50年前人类就有个梦想通过实现人造太阳。上大学的时候，我就有这个梦想，希望在我的有生之年，能够做这么一个人造太阳，而且那些没有被文明所照亮的地方，最终一定要被聚变能所点亮。这第一个电站的话，作为一个中国人，我是希望它最好而且必须要建在中国。

这就是我要给大家说的一些体会！

谢谢大家！

关于“墨子沙龙”

墨子沙龙是由中国科学技术大学上海研究院主办、上海市浦东新区科学技术协会及中国科大新创校友基金会协办的公益性大型科普论坛。沙龙的科普对象为对科学有浓厚兴趣、热爱科普的普通民众，力图打造具有中学生学力便可以了解当下全球最尖端科学资讯的科普讲坛。