器象｜大科学装置的背景研究与展示——以托卡马克CT-6为例

（中国科技馆）

一、引  言

核聚变能量密度高、储量丰富、安全环保，被认为是人类未来理想的能量来源，是可能改变地缘政治和人类历史发展走向的重大战略能源工程。1934年，马克·奥列芬特（Mark Oliphant）、保罗·哈特克（Paul Harteck）和欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）使用粒子加速开展实验，首次发现了聚变反应，并确定了引发氘聚变反应核截面和聚变能量等关键信息。这次实验是物理学中的一个重大事件，它彻底颠覆了人们对包括原子在内的微观粒子的传统理解，并开启了人类利用原子聚变反应能量的大门。随着中子、质子的发现和原子理论模型的完善、爱因斯坦质能方程的提出，这些重大物理学发现为核能的发展奠定了基础，同时也为人类开发新能源、新技术提供了方向。1945年，英国科学家乔治·佩吉特·汤姆森（George Paget Thomson）对于加速器氘原子轰击实验进行了改良，开创了研制可控核聚变实验装置的先河，科学家由此开始了利用实验装置研究核聚变反应的新时代。

二、可控核聚变装置以及托卡马克

可控核聚变装置，主要是依靠一定的技术条件，促使氘、氚等轻元素原子在等离子状态下约束并聚合成较重原子，同时放出能量的核反应过程。根据其工作原理和状态可以分为重力约束、磁约束、惯性约束。其中主要的聚变反应实现路径就是磁约束和惯性约束。磁约束相对容易实现，在核聚变实验装置中的种类和数量也是最多的。磁约束聚变装置根据磁场形态可以进一步细分为开端装置和封闭型装置。封闭型装置的磁场构型多为环状圆形结构或者跑道形结构。自从科学家开展核聚变研究以来，已经论证并建造了数十种不同类型的核聚变装置，托卡马克就属于一种封闭型装置。

托卡马克装置（Tokamak）由俄语音译而来，使用了环形、真空、磁场和线圈四个词的俄语首字母，因其工作中会产生环形等离子体电流，所以也被称为环流器。1951年，苏联科学家伊戈尔·塔姆（Игорь Тамм），和安德烈·萨哈罗夫（Андре́й Дми́триевич Са́харов）提出托卡马克装置的理论构型设想，1956年，沙夫拉诺夫(Шафранов, Виталий Дмитриевич)等人对环形放电的平衡和稳定性开展研究，这些都为后来托马克装置诞生奠定了理论基础。1958年，列夫·阿蒂西莫维奇（Артисимович, Лев)带领技术团队在库尔恰托夫研究所（Kurchatov Institute）研制成功第一台托卡马克装置T-1。此后，苏联科学家持续改进托卡马克装置，又先后建造了T-2、T-3等多套托卡马克装置，并取得了一系列成果。1968年，苏联科学家公布了他们在托卡马克装置上取得的实验成果。英国科学家质疑苏联公布的数据结果，并派出代表团携带科学仪器赴苏联进行实际测量。结果不仅证实了苏联在托卡马克装置上取得的实验参数，还测得了更高的实验温度数据。结果一经公布震惊世界，甚至对整个核聚变研究领域都产生了深远影响。从20世纪70年代开始，各国掀起了一股建造托卡马克装置的热潮，托马卡克装置建造技术取得了长足进步。

三、我国磁约束聚变装置研究

（一）聚变研究艰难起步

我国聚变研究开始于20世纪50年代，在一批具有远见卓识的科学家的倡议和攻关下，我国在可控核聚变方面的研究几乎与国际同步。1955年，钱三强、李正武等科学家建议将核聚变研究列入我国“十二年科技规划”。1958年被认为是我国核聚变研究的启动年，这一年在日内瓦召开的第二届和平利用原子能国际会议规模空前，与会各国相继发布了他们在核能领域的研究成果，引起了世界各国的强烈反响。当这次会议消息及相关资料传回国内时，国内科研机构被国际上领先的研究成果所震撼，同时立即着手开展相关实验装置的研究和设计工作。

时任第二机械工业部（简称“二机部”）副部长的钱三强牵头，发起组建从事核聚变研究的14室（14组），并先后组建了理论、实验、电气、真空四个工作组。14室分头行动，一方面抽调相关技术人员组成工作团队，另一方面四处筹措器材，将实验所急需的示波器、真空设备、高电压设备、粒子探测器等装置逐一筹措到位。为了确保核聚变项目研究的安全，所有工作都在高度保密的状态下进行，这也是中国最早从事可控核聚变研究的技术班底。

（二）实验装备遍地开花

1958年，中国科学院的部分研究所以及一些大学开始设计建造核聚变有关实验的科学研究实验装置。二机部在房山的原子能研究所建造了一台反应堆和一台回旋加速器，用于加快推进核工业及核能源相关实验技术研究。

早在二机部组建14室的初期，参与筹建的科学家和技术人员就同步开展对相关实验设备的立项研究。1958年建成一台Z箍缩装置，命名为“雷公”。同时14室又建造了另一台具有一定规模的脉冲压缩磁镜装置“小龙”。基于前两套实验装置试制积累的经验，到20世纪60年代，14室开始尝试建造仿星器，取名“凌云”。由于该类型装置的磁场位形复杂，结构加工难度大，后来在科研资源有限、缺乏高精度加工设备等一系列原因影响下，仿星器的研制被迫停滞。

1962年，位于黑龙江省的东北503所研制了一台角向箍缩实验装置，取名“角向一号”。到1964年，该所又建立了第二套实验装置“角向二号”。

在此期间，中国科学院的物理所、电工所、力学所、西安光学精密机械所等单位也在积极开展核聚变方面的研究，涌现出孙湘等一批学术研究骨干，他们研制出Z箍缩和角向箍缩装置等一批大型科研设备。时任水利电力部副部长的冯仲云也持续关注着电力技术装备的发展，发起并成立了技术改进局，后成为电力研究院。研究院内有专人开展核聚变方面的研究，并制造了一套Z箍缩装置，电力研究院发挥自身在电气设备方面的技术优势，帮助其他单位研发核聚变实验所需的高压放电装备。

（三）学术研究百花齐放

1958年，核物理研究领域提出了“全民大搞核物理”的口号，各种民间和官方组织的物理讲习所、物理研究所，核物理理论学习小组如雨后春笋般成立起来，核物理研究呈现一派欣欣向荣的景象。时任二机部副部长的钱三强出于保护和培育核物理研究的考虑，提出了“多条腿好走路”的思想，积极鼓励和帮助各个机构开展有关核物理方面的研究，为后续的核聚变研究奠定人才基础。

同期，一些高校也开始筹备开展核聚变相关研究，并编写相关教研资料。1959年，北京大学物理系就开设了核聚变反应的研究课程，1960年设立了核聚变教研室。1961年，相关技术骨干进入技术物理系组成核理论教研室，成立等离子体物理理论小组。这一小组后来向全国输送大量等离子体方面的技术研究人员，为国内核聚变研究培养了大量人才。

在江南地区，上海的复旦大学、华东师范大学、上海师范学院、上海交通大学等高校也开始筹备核聚变领域的相关研究。由复旦大学卢鹤绂作为组长，复旦大学周同庆、华东师范大学许国保等一批技术骨干和年轻教师等20多人，加入并组成等离子体物理研究组。在他们的不懈努力下，很快就在反常扩散、磁流体力学、磁流体不稳定性等方面取得研究成果，相关文章陆续发表在《物理学报》上。

（四）动荡年代，研究陷入停滞

随着“文革”开始，高校、科研院所和民间学术团体等核聚变研究小组和机构不同程度地受到影响和冲击，很多技术人员和科学家受到了错误批判，被下放到干校、讲习所等地接受劳动改造。一些学术团体陆续被解散或者停止活动，部分学术出版物和书籍资料等遭受严重破坏，前期积累的技术资料灭失，这种情况一直持续到“文革”末期。仅有少量的可控核聚变技术研究在高度保密的状态下进行，仅限于在核工业部门和国家级科研院所内进行，其他单位的可控核聚变技术研究社团和学术交流活动几乎陷入停滞。

四、中国首台托卡马克装置——CT-6

（一）从零开始查找技术资料，完成技术积累

1970年，还在干校的中国科学院物理所科学家陈春先敏锐意识到托卡马克装置的巨大科研价值。1971年，他发起成立了相关调研组，开始积累理论和工程方面的数据资料，在物理所成立104组。为了能制造出符合要求的实验装置，他找到中国科学院电工所的严陆光，在电工所成立403组，两个工作组合作共同研制托卡马克装置。

CT-6的研制正处在“文革”动荡时期，信息相对闭塞，科研团队人员几乎不能参加国际学术会议，难以获取最新的技术参考资料。科学家们就发动自己老师同学的关系，从各个渠道借阅有关资料。为了能尽快掌握消化各方面获取的技术资料，加快实验装置的建造进度，研制团队的科学家们白天组装调试设备，晚上阅读文献资料，经常加班到深夜。通过这样高强度的刻苦攻关，科研团队终于积累了足够的技术资料，为后续的装置设计制造打下了扎实的基础（见图1）。

图1 1973年，课题组负责人陈春先、郑少白在检查铁芯变压器

（二）躬身入局亲力亲为，手工打造实验装置

1972年，科研团队开始建设托卡马克装置。当时国内的工业技术水平有限，科研条件差，很多装置及配套设备都没有成品，需要从零开始、纯手工制作。起初研制团队甚至没有场地和实验室，几经协调和寻找，研制团队将中国科学院大院内的原水晶制备车间作为场地，并搭建了一栋临时建筑作为实验的机房。

在加工不锈钢板时，科研团队遇到了很多困难。由于不锈钢导热性差，加工时工料会粘住刀具、损坏设备。为了追赶进度，科研团队自学材料学、电气电路知识，开发了一套专门切割超大厚度不锈钢板材的高温离子切割机和等离子焊机，还亲自向焊工师傅请教，顶着高温自行练习等离子焊接技术，终于在计划时间内完成所有不锈钢部件的加工焊接工作（见图2）。1973年底完成了零部件加工制造，1974年年中组装完毕，整台装置仅用时2年就建造完成。

图2 1974年夏，CT-6装置在调试检测抽气系统的现场照片

（三）刻苦攻关埋头实验，开创新局面

1974年7月1日，CT-6装置成功进行第一次放电。当时国内科研仪器极为匮乏，几乎没有具备存储功能的数字式示波器。为了测量装置的运行数据，科研团队用改造后的照相机对着示波器的荧光屏拍照读取数据。再经过冲洗、晾晒和测量等工序，对着照片一张一张登记，一张一张测量，才算是解决了最早期的实验数据读取问题。当时一场实验放电过程多达数千次，产生的数据相纸数以千计，在实验大厅里常常悬挂着湿漉漉的相纸，一张一张排列整齐就像一个大型晾衣场，蔚为壮观。

1975年2月4日，《人民日报》第一版刊载了题为《我国研制成功受控热核反应实验装置》的新闻报道，引起了国外同行的高度关注。美国普林斯顿大学（Princeton University），还邀请了科研团队陈春先进行访问，并且转载了中国科技工作者有关学术论文。CT-6装置也不负众望，开创了国内托卡马克型核聚变研究的先河，获得了1978年全国科学大会一等奖。科研团队将CT-6装置上的测试结果和相关实验总结成2篇文章发表在1980年的《物理学报》上，很快美国创刊的《中国物理杂志》翻译转载了有关研究成果。自此，CT-6装置让中国可控核聚变研究扬名海内外。

（四）勇攀高峰开枝散叶，结出累累硕果

科研团队没有在CT-6放电成功的喜悦中止步不前。他们清楚认识到，这个成功只是有了“中国第一”的名头，距离稳态核聚变还有相当长的距离要走，于是很快就投入到装置改造升级的工作中。科研团队在条件有限的情况下，不断改进若干主体和检测设备，对CT-6装置的电源、测控、抽气装置等进行了大幅升级改造，1978年以后升级为CT-6B，为后续开展更高水准的物理实验奠定了坚实基础。

1972年，中国科学院在建设CT-6装置的同时，决定在合肥分院建设规模更大的研究基地，依托中国科学院安徽光学精密机械研究所（简称“安徽光机所”）的物资条件，建设合肥受控热核反应研究实验站。于是，CT-6装置上原有的双层真空室被运往安徽合肥，投入到当时中国科学院新型托卡马克装置上使用，后命名为HT-6（意为合肥托卡马克装置），经过升级改造后更名为HT-6B。CT-6与HT-6一脉相承，两套装置在很多技术参数方面都相近。CT-6装置实验的经验成果和相关人才等，很多也直接或间接支持了合肥的核聚变研究，也为后来在合肥成立中国科学院等离子体物理研究所（简称“等离子体所”）和中国科学院合肥物质科学研究院（简称合肥物质院，位于合肥市科学岛）奠定了基础（见图3）。

图3 1983年等离子体所运行中的HT-6B装置

（五）功成名就低调隐退，研究成果继续发光发热

1984年以前，等离子体所的CT-6装置一直处于领先水平。后期，CT-6装置逐渐失去了技术优势，原有配电机构三氯联苯电容器漏液严重。1998年，北京市全面禁止使用三氯联苯，中国科学院决定全面关停CT-6装置。到2000年世纪之交的时刻，CT-6装置的主机、检测仪器等部件被陆续拆除，装置所在的原水晶制备车间也被崭新的中国科学院物理所大楼取代。辉煌一时的CT-6装置在悄无声息中完成了历史使命。

在CT-6装置运行的20多年中，进行了大量科研物理实验，取得了一系列重要的科研成果。在国内外学术期刊上正式发表的有关研究报告和学术论文多达百余篇。即便是在装置退役后的5年，科研团队继续挖掘前期实验数据，仍然以每年一篇的速度在国外有影响力的权威期刊发表科研论文。科研团队在开发研制CT-6装置过程中形成的工作方法和刻苦钻研的科学家精神，也被持续发扬，极大帮助和促进了中国在可控核聚变领域的研究持续结出新硕果。

（六）CT-6 的后续影响

如果说可控核聚变技术是“种太阳”，CT-6装置就是这个人造太阳的种子。CT-6装置的成果，为后来研制大型高参数托卡马克装置奠定了坚实基础。CT-6装置的建成，使中国完成了最初对可控核聚变技术的积累，培养了一大批相关领域的专家和技术骨干人才，产生了一批重要的科研技术成果，让中国在托卡马克型可控核聚变技术领域实现了零的突破。

2006年，我国正式加入国际热核聚变项目ITER计划，为ITER项目提供了电源系统解决方案、大尺寸超导磁场线圈加工制造等极为艰巨复杂的建造工作，获得了国际同行的认可和赞誉。托卡马克装置的运行记录也被我国科技工作者一次次刷新。新的中国大科学装置“夸父”示范堆（CRAFT）于2018年开工建设，预计2025年底全面建成。未来，还将验证中国聚变工程实验堆（CFETR）的关键技术。这些成就让中国的托卡马克装置研究站在了可控核聚变领域之巅，也为人类可控核聚变技术研究贡献了中国智慧。

从CT-6到托卡马克装置遍地开花，中国的科研技术人员突破了一个又一个世界级可控核聚变难题，创造了一个又一个科技奇迹，让中国的“人造太阳”从无到有，从弱到强，实现了跨越式发展。作为中国“人造太阳”的开拓先锋，CT-6装置的历史功绩将永载史册。

（七）见证历史的CT-6 保护和展出

2003年，中国科技馆筹建新馆，获得了中国科学院捐赠的CT-6装置主机。2009年中国科技馆新馆建成开放。参照国内外大型科学装置展出的方式，中国科技馆经过广泛考察和严密论证，采取静态展示的方式对CT-6装置进行布展，鉴于该装置超重且尺寸较大，特意选定科技馆东南角较为坚固的位置作为展出地点。科技馆展品设计部门还开发制作了专门的玻璃保护罩，既能保护CT-6装置，又能让观众全方位观看装置，还能结合图文展板，进一步展示了CT-6装置的结构和原理（见封三）。

封三图

在中国科技馆展出的CT-6核心机主体是后期改进后的状态，完整保留了整备工作状态，由铁芯变压器、环形真空室和环向场线圈等三部分组成，总重量超过7吨。中间支撑体为“日”字形铁芯变压器，柱心截面为圆形，直径36cm，材料为厚0.3mm的冷轧硅铁片。柱芯周围缠绕着巨大的铜制线圈，用以激励产生环向电动势。环形真空室平均半径45cm，总长230cm，净高165cm，装配底座后总高180cm，总宽200cm。其真空室是一个单层304不锈钢管焊接部件，由若干段2mm厚的304不锈钢板卷曲后焊接成“虾米型”弯管分段。若干分段又进一步焊接成两个半环，安放在两个底部装有滑轨的不锈钢托盘上。将两个不锈钢底盘沿滑轨推在一起，以便能够套装在“日”字形的铁芯变压器上，组装后调整支臂，确保两个半环中心线对齐。半环中间用金丝密封的陶瓷法兰盘连接，可以确保真空室分段之间的绝缘性和气密性。在真空室成型后，为便于接入检测设备，环形真空室开了若干个侧切窗口。

五、CT-6的成功原因

（一）科技人员甘于奉献勇攀高峰刻苦攻关

在CT-6装置从立项、研制、运行再到退役的20多年中，涌现了一大批勇攀高峰、敢于创新、甘于奉献的科技工作者。他们在条件有限、物资匮乏的年代，自己动手刻苦攻关，保持着追求真理、严谨治学的求实精神。他们在取得成功后，依旧能淡泊名利、潜心研究，为科学研究奉献才智。他们集智攻关、团结协作，克服一道又一道技术难关，手工搭建了托卡马克型实验装置，创造了独立研发大科学装置的奇迹。

以陈春先尤为突出，他从苏联留学归来后，不因为受到错误批判而消沉，始终保持着科学家的冷静和专注，密切关注着国际上核聚变领域的研究动向。他不顾周遭环境的纷扰，始终热情高昂，不断向中国科学院领导和所在单位提出科研建议和方案。他不顾旁人的反对和嘲讽，被下放干校期间，仍然以无比坚定的意志力投入到可控核聚变领域的研究中，为CT-6装置的成功研制做出了重要贡献。

（二）国内科研和工业技术水平不断发展

科学实验装置、特别是大型科学实验装置需要大量工业制成品和高科技实验设备的支持，需要顶级的技术和加工制造能力，具有独特性、先进性和复杂性，是一个国家工业技术和科研能力的集中体现。CT-6装置从设计、建造、升级再到退役，不仅是一台科研实验装置的发展过程，更是国家现代工业从无到有、从弱到强发展历程的缩影。

在设备建造之初，真空室作为核心部件成为技术加工的重中之重。早期的真空室采用不锈钢波纹管双层结构，在那个轻、重工业都很落后的年代，能够找到这样的工业制成品实属不易。后期，项目团队通过军工部门找来了军品级的不锈钢板材，才为真空室找到了可靠的加工原材料。

在设备后续的改造升级中，国家的科研技术实力逐步提升。科研设备制造厂家逐步生产出了分子真空泵、激光干涉检测仪、双踪示波器、辐射计、微波辐射加热设备等科研仪器设备，CT-6装置的相关配套设备得到丰富和完善，整体技术状态得到大幅度改善，才能够开展更高水平更加复杂的可控核聚变技术研究。这一系列更新改造过程，折射出我国现代工业和技术研发能力持续进步的发展历程。

（三）国家经济实力和综合国力持续增长

科学实验装置、特别是大型科学实验装置需要国家高强度、持续投入。可控核聚变技术经过几十年的探索和攻坚，其科研成果的产出与国家资源投入强度及国家实力息息相关。中华人民共和国成立后，在百废待兴的年代里，科研机构以及工业部门先后建造出磁镜、箍缩装置、仿星器、惯性约束激光点火装置等核聚变实验装置，极大推进了中国可控核聚变理论和实验研究，其中托卡马卡装置是取得成果最多的典型代表。

改革开放以来，随着国家整体经济实力和综合国力的持续提升，更多资源投入到科学研究当中，各类科技园区不断落成，大型科研设备研制不断取得成功，国家对于可控核聚变等重点领域研究的投入力度持续增强，在国内多个地方建造了多套托卡马克型实验装置，其中以核工业西南物理研究院的环流器、等离子体研究所的超导型托卡马克装置EAST最为著名。这些成果都是国家经济实力增长和综合国力稳步提升的直接反映。