托卡马克核聚变，也称超导托卡马克可控热核聚变（EAST）、超导非圆截面核聚变实验，核物理学重要理论之 一，也是核聚变实现的重要途径之一。托卡马克核聚变是海水中富含的氕、氘在特定环境和超高温条件下使其实现核聚变反应，以释放巨大能量，世界各国科学家为已在20世纪中叶开始相关研发。
基本介绍 中文名 ：托卡马克核聚变 外文名 ：Tokamak 性质 ：核聚变 发明时间 ：20世纪50年代 概念解读,优势,超导技术在EAST中的运用,研发背景,基本原理,实验装置,超导磁系统,真空室,冷屏与外真空杜瓦,面对电浆部件,装置技术诊断系统,低温系统,高功率电源系统,真空抽气系统,低杂波电流驱动系统,总控与数据采集系统,中国EAST,电浆物理所成立,探索新能源过程,EAST装置的主机部分,EAST装置研制过程,EAST的建设和投入运行,新一代EAST,实验突破, 概念解读 托卡马克(Tokamak)核聚变是一种利用磁约束来实现受控的核聚变。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。 托卡马克核聚变 托卡马克核聚变的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的电浆加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。 优势 相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届电浆物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度1keV，质子温度0.5keV，nτ=10的18次方m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克核聚变的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的STTokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克(Ormark)，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的TFRTokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥(Cleo)，西德马克斯-普朗克研究所的PulsatorTokamak。 超导技术在EAST中的运用 占发电量比重较大的核电站就是在控制之下的裂变能利用。托卡马克核聚变，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。上世纪末，科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克核聚变，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。 研发背景 能源是社会发展的基石。以煤炭、石油、天然气等化石能源替代柴薪的第一次能源革命带来了社会经济的飞速发展。然而这些宝贵的资源就这样被燃烧掉，同时造成了严重的污染。据估 计，一百年后地球上的化石能源将会面临枯竭。面对着即将来临的能源危机，人类有了一个共同的梦想—寻求一种无限而清洁的能源来实现人类的持续发展。 托卡马克核聚变研究举步维艰，根本原因是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难。原子核之间的吸引力是很大的，但原子核都带正电，又互相排斥，只有当两个原子核之间的距离非常接近，大约相距只有万亿分之三毫米时，它们的吸引力才大于静电斥力，两个原子核才可能聚合到一起同时放出巨大的能量。因此，首先必须使聚变物质处于等离子状态，让它们的原子核完 *** 露出来。然而，两个带正电的原子核越互相接近，它们之间的静电斥力也越大。只有当带正电的原子核达到足够高的动能时，这需要几千万甚至几亿摄氏度的高温，它们的碰撞才有机会使它们非常接近，以致产生聚合。 1933年，人们用加速器使原子核获得所需的动能，在实验室实现了核聚变。可是从这样的核聚变中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多，根本无法获得增益的能量。1952年，美国用核子弹爆炸的方法产生高温，第一次实现了大量氘、氚材料的核聚变。但这种方法的效果是，在极短时间内使核聚变释放出巨大能量，产生强烈爆炸，即氢弹爆炸。人类要和平利用核聚变，必须是可以控制的聚变过程。核聚变反应比较切实可行的控制办法是，通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量，使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此，核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一。另外，对能量的约束要有足够长的时间。 二战末期，前苏联和美、英各国曾出于军事上的考虑，一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。 1954年，第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种磁约束的概念后，磁约束核聚变研究在一些方面的进展顺利，氢弹又迅速试验成功，这曾使不少国家的核科学家一度对受控核聚变抱有过分乐观的态度。但人们很快发现，约束电浆的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。另外，电浆在加热过程中能量也不断损失。经过了二十多年的努力，远未达到当初的乐观期望，理论上估计的电浆约束时间与实验结果相差甚远。人们开始认识到核聚变问题的复杂和研究的艰难。在这种情况下，苏、美等国感到保密不利于研究的进展，只有开展国际学术交流，才能推进核聚变的深入研究。另外，磁约束核聚变与热 核武器在科学技术上没有重大的重叠，而且其商业套用的竞争为时尚早。于是，1958年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成协定，各国互相公开研究计画，并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议后，研究重点转向高温电浆的基础问题，从二十世纪六十年代中到七十年代，各国先后建成了很多实验装置，核聚变研究进入了一个新的 *** 期，人们逐渐了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。随着核聚变研究的进展，人们对受控核聚变越来越有信心。 基本原理 核能是能源家族的新成员，包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能 是重金属元素的核子通过裂变而释放的巨大能量。受控核裂变技术的发展已使裂变能的套用实现了商用化，如核 (裂变)电站。裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量。目前开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。其实，人类已经实现了氘氚核聚变--氢弹爆炸，但那是不可控制的瞬间能量释放，人类更需要受控核聚变。维系聚变的燃料是氢的同位素氘和氚，氘在地球的海水中有极其丰富的蕴藏量。经测算，1升海水所含氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。特别的，聚变产生的废料为氦气，是清洁和安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是世界各国尤其是已开发国家不遗余力竞相研究、开发聚变能的根本原因。 受控热核聚变能的研究主要有两种--惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的雷射在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变，后者则利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性，将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。 托卡马克(Tokamak)是前苏联科学家于20世纪50年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实，但相关结果都是以短脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行有较大距离。超导技术成功地套用于产生托卡马克强磁场的线圈上，是受控热核聚变能研究的一个重大突破。 超导不可能束缚高速带电粒子。假设两个距离很近的质子，往不同方向飞出，要同时束缚这两个质子，超导产生的磁场必须在很小的空间内有一个180度的方向改变。即便是超导体内的电子是悬浮的，也不可能实现这种磁场。磁场如果距离超导有一定的距离，不但难以在空间上发生突变，在时间上也难灵活改变。如果一个质子要飞出反应釜，磁场必须约束质子，可是质子一但改了方向，磁场要约束质子，也必须改方向。通俗地说，一个质子溜著超导体内的全部电子玩。电子本身是有质量的。电子要形成一个灵活的磁场，电子速度（速率和方向）就要不停的变。最后的结果就是超导体温度迅速增加，超导效果消失，质子飞出反应釜。 实验装置 “超导托卡马克核聚变”实验包括一个具有非圆小截面的大型超导托卡马克实验装置和低温、真空、水冷、电源及控制、数据采集和处理、波加热、波驱动电流、诊断等子系统。其中超 导托卡马克装置是本项目的核心。而超导托卡马克装置又包括超导纵场与极向场磁体系统、真空室、冷屏、外真空杜瓦及面对电浆部件等部件。承担各部件设计的工程技术人员，在充分集思广益、充分发挥创新能力的基础上,借鉴国际上同类装置的经验,通过一丝不苟的努力工作，目前各项工作的进展呈良性循环---设计推动了预研工作的进行，预研工作的结果又使设计得到进一步最佳化。 超导磁系统 超导纵场与极向场磁系统是HT-7U超导托卡马克的关键部件，结构复杂、技术难点多、难度大、涉及的不确定因素多。科研人员经过一轮又一轮的设计、计算和分析，对多种方案进行比较、最佳化，目前超导导体的设计已进入最后的实验选型阶段；线圈的设计已完成试验线圈的设计与绕制及原型线圈的设计；低温下高强度线圈盒的设计已完成各种可能工况下的力学分析与计算、传热分析与计算、电磁分析计算以及线圈盒焊接时的温升对超导线圈性能影响的试验等工作；低温冷却回路的设计已完成热的分析与计算及冷却参数的最佳化；超导导体接头已完成多种方案的设计、研制与试验，并确定了最终的结构形式；超低温绝缘子的研究已完成最终的设计与试制，进入批量制造阶段；超导线圈的真空压力浸渍的工艺研究在国内电绝缘的归口单位---桂林电科所及中科院北京低温中心的密切配合下已完成超低温绝缘胶的配方的研究，正在完成超低温绝缘胶真空压力浸渍的最终工艺试验。超导极向场的线圈位置最佳化和电流波形最佳化，使之既能满足双零和单零的偏滤器位形的要求，又能满足限制器位形的要求，这项工作经过反复的平衡计算与调试、比较，已经满足物理的要求，工程上线圈在装置上的位置以及线圈的截面形状均已确定。 真空室 真空室是直接盛装电浆的容器，除了要为电浆提供一个超高真空环境，要满足装置稳定运行时电浆对电磁的要求以及为诊断电浆的特性、电浆加热、真空抽气、水冷及加料对视窗的要求、中子禁止的要求、还要满足面对电浆部件定位和准直的要求。HT-7U真空室是双层全焊接结构，由于真空室离电浆近，电浆与真空室之间的电磁作用最直接，真空室上所受的电磁力最大，同时真空室要烘烤到250°C，因温度变化所产生的热变形大。设计人员考虑到以上这些因素，对真空室进行了所有可能工况下的多轮受力分析、电磁分析和传热计算，针对每一轮的计算结果对结构设计进行最佳化。目前已完成最新一轮满足各项要求的结构在各种工况下的静应力分析、模态分析、频率回响分析和地震回响分析，为设计的可靠性提供了充分的依据。真空室试验原型段的施工设计正在进行之中，真空室满足热胀冷缩要求的特殊支撑结构的试验平台正在制造过程中，真空室视窗所使用的各种异型波纹管的研制也在紧张的进行。 冷屏与外真空杜瓦 HT-7U的内外冷屏是超导磁体的热屏障，对维持超导磁体的正常运行发挥作重要作用。该部件的电磁分析、受力分析和传热分析的工作都已完成，对传热计算产生重要影响的表面辐射系数的测量已完成，目前该部件已进入工程设计的最后阶段，即将转入施工设计。外真空杜瓦是维持其内部的所有部件都处在基本无对流传热的真空环境中，因而是超导磁体与冷屏维持超低温的保证，同时也是其内部所有部件支撑的基础。该部件的力学分析和电磁分析已结束，施工设计已正式展开。 面对电浆部件 面对等离子体部件直接朝向电浆，其表面性质直接影响电浆杂质的返流和气体再循环，电浆的能量依靠面对电浆部件的冷却系统输运到托卡马克外。面对电浆部件相对电浆的位置的最佳化正与德国马普电浆所合作，利用他们的程式进行计算，已得出初步结果；直接面对电浆的石墨材料正与山西煤化所合作研究，开发参杂石墨与石墨表面的低溅射涂层，用于石墨材料各项性能试验的大功率电子枪和实验系统正在装修一新的实验室中调试；用于试验水冷结构和石墨性能的面对电浆部件的试验件已组装到HT-7超导托卡马克的真空室中，在即将进行的一轮试验中进行各项指标的测试。 装置技术诊断系统 装置技术诊断包括温度测量、应力应变测量、失超保护和短路检测等部分。温度测量从4.5k的液氦温度到350°C面对电浆部件的烘烤温度，要测的温度范围大，且要使用不同的方法。特别是超低温下的温度测量，其温度计的标定费用高，科研人员积极发挥创新的能力，自己开发了一套温度标定系统，且在该系统上进行了HT-7U所有低温温度计的标定。应力应变测量、短路检测和失超保护的探测及放大电路已设计并调试完毕，数据采集和处理的专用程式也已进入调试阶段。 低温系统 低温系统是超导托卡马克核聚变实验装置的关键外围设备之一。它必须保障装置的超导纵场磁体和极向场磁体顺利地从室温降温至3.8-4.6K,并能长达数月保冷，维持超导纵场磁体正常励磁和极向场磁体快脉冲变化的所需的致冷量。HT-7U超导托卡马克装置的低温系统的2KW/4.4K工程设计已全面展开，部分外购设备已到货且已安装到位。新增两只100m3的中压储气罐已安装就序，新增100m3的低压气柜也一稳稳地安放在低温车间的一角，新建压机站的五台崭新的螺杆压机被整齐地安装在低温车间中间，一台氦气干燥器、一台吸附器和两台滤油器已安装完毕。原俄罗斯赠送的OPG100/500二号制冷机的改造工作已经结束，德国FZK赠送的300W/1.8K制冷机的恢复施工即将开展。螺杆压机站的电控部分和气、水、油管线的施工正在紧张地进行。 高功率电源系统 担负著向托卡马克提供不同规格的高功率电源，实现能量传输、功率转换、运行控制等重要任务。为电浆的产生、约束、维持、加热，以及电浆电流、位置、形状、分布和破裂的控制提供必要的工程基础和控制手段。HT-7U纵场电源与极向场电源已完成了系统的分析、计算和方案的比较、最佳化。在设计过程中，科研人员本着保证性能、节约经费的原则，不仅在设计方案上结合本所的具体情况作多种设计相结合的方法，而且充分利用本所的技术储备，积极发挥创新的能力，自行开发重要设备。极向场电源的关键设备，大容量晶闸管、直流高压开关和爆炸开关等目前只能以很高的价格进口，经我所科研人员的努力已完成单元技术试验，正在进行样机的试制。 真空抽气系统 为电浆的稳定运行提供清洁的超高真空环境，为超导磁体正常运行提供真空绝热条件；充气系统则为真空室的壁处理和电浆放电提供工作气体。真空抽气系统完成了总体布局设计，抽速和抽气时间计算;主泵、主阀、测量系统的选择和配备;完成抽气系统主泵和予抽泵16台合计58万元订货。真空抽充气系统的保护和控制已完成最终方案的设计。 低杂波电流驱动系统 不断地给电浆补充能量，是保证托卡马克实现长脉冲稳态运行的重要手段，而离子回旋共振加热则是另一重要手段。HT-7U3.5兆瓦的低杂波系统已完成技术方案的设计，完成了波功率和相位监控、波系统的保护及波源的低压电源的方案设计，准备先期建设的1MW波系统的高压电源及波系统天线的试验件正在制造过程中。离子回旋共振加热已完成波系统的总体设计，确定了4MW/30-110Mhz的波系统方案；完成了波源设计，并正在建造一台1MW，脉冲可达1000秒的射频波源，预计2001年中建成并调试；已完成天线的调配系统设计，并正进行加工前的台面试验。 总控与数据采集系统 是对整个装置进行实时监测、控制与保护的分散式计算机网路系统。目前总控系统的安全巡检系统、中央控制系统、脉冲充气系统均已完成程式的设计，正在进行调试和预演；中央定时系统正在与国内相关单位合作研制，局域控制网正处于实施阶段。数据采集系统的VAX-CAMAC采集系统、PC-CA MAC采集系统、PC采集系统、VXI采集系统、分散式数据伺服器、数据检索系统和数据采集管理系统均已完成程式设计，正在进行诊断测量系统是一双双监视电浆的眼睛，给出电浆在不同的时间和空间的品质特性。除了HT-7上准备移到HT-7U上的诊断测量设备外，作为托卡马克上的最重要的测量系统之一的电磁测量系统正在进行物理上的计算和磁探针、单匝环、Rogowski线圈、逆磁线圈、鞍形线圈等测量线圈的设计，由美国德克萨斯大学赠送的新型CO2雷射器正在调试，它将用在HT-7U的远红外诊断上，其他诊断系统也在进行物理上的准备或设备上的准备。 中国EAST 中国在1956年制定的“十二年科学规划”中决定开展核聚变研究，经过不懈努力，到二十世纪八十年代，建成了中国环流器一号HL－1以及HT－6B、HT－6M等一批有影响的聚变研究 实验装置。 电浆物理所成立 中国科学院电浆物理研究所成立于1978年9月，主要从事高温电浆物理和受控热核聚变及其相关高技术研究，以探索、开发、解决人类无限而清洁的新能源为最终目的。它是中国最重要的核聚变研究基地之一，是世界实验室在中国设立的核聚变研究中心，也是国际受控热核聚变计画ITER中国工作组最重要的单位之一。 探索新能源过程 电浆所先后建造了中小型托卡马克HT-6B和HT-6M，以及超导托卡马克核聚变HT-7和全超导托卡马克核聚变EAST。目前尚在运行的HT-7超导托卡马克装置是中国第一个超导托卡马克，其实验研究取得了多项重大成果，是继法国之后第二个能产生分钟量级高温电浆放电的托卡马克装置。 EAST装置的主机部分 高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电 源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。学科涉及面广，技术难度大，许多关键技术目前在国际上尚无经验借鉴。特别是EAST运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境，从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温，给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求，其难度可见一斑。 EAST装置研制过程 电浆所发展了一系列高新技术，一些技术国际领先，并有着广泛的套用前景，如大型超导磁体、超高真空、偏滤器、超导导体生产等技术。还有一些独创 的技术得到国际同行专家的赞赏和借鉴 ，如将高温超导接头技术运用到托卡马克，并取得相当好的效果，极大地提高装置效率，目前该项技术已被国际ITER项目借鉴。 EAST的建设和投入运行 为世界近堆芯聚变物理和工程研究搭建起了一个重要的实验平台，为我国磁约束核聚变研究的进一步发展，提升中国磁约束聚变物理、工程、技术水平和培养高水平人才奠定了坚实基础。EAST是世界上唯一投入运行的全超导磁体的托卡马克装置，将为国际热核聚变实验堆（ITER）的建设及聚变能的发展做出了重要贡献。 新一代EAST 2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温电浆放电。EAST成为世界上第一个建成 并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。核反应释放的能量相当于相同质量的物质释放的化学能的数十万倍至百万倍。核反应有核裂变、核聚变两种形式。一个重核在中子的轰击下分裂成高能碎片的反应叫做核裂变，主要反应物是稀少的放射性元素铀、钸等，如核子弹爆炸；两个轻核发生碰撞结合成重核的反应叫做核聚变，主要反应物为氢的同位素氘和氚，如氢弹爆炸、太阳发光发热等。 实验突破 2016年1月28日凌晨零点26分，中国科学院合肥物质科学研究院全超导托卡马克核聚变实验装置EAST成功实现了电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电，这是国际托卡马克实验装置上电子温度达到5000万度持续时间最长的电浆放电。该成果在未来聚变堆研究中具有里程碑意义，标志着我国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列。目前，EAST已成为国际上稳态磁约束聚变研究的重要实验平台，其研究成果将为未来国际热核聚变实验堆ITER实现稳态高约束放电提供科学和工程实验支持，并将继续为我国下一代聚变装置—中国聚变工程实验堆前期预研奠定重要的科学基础。 2016年10月18日，据美国麻省理工学院官方网站讯息，该校科学家在阿尔卡特C-Mod (Alcator C-Mod) 托卡马克聚变反应堆实验中创造出新的世界纪录，电浆压强首次超过了两个大气压。鉴于高压电浆是实现可控核聚变的关键因素，这意味着人类距获得“取之不尽用之不竭”的清洁能源又近一步。在麻省理工学院服役23年的阿尔卡特C-Mod实验装置曾在2005年制造了1.77个大气压的世界纪录。此次，该装置的电浆压强达到2.05个大气压的新的世界纪录，其中电浆每秒发生300万亿次聚变反应。新纪录在该装置以往成绩的基础上提高了15%，对应的温度达到3500万摄氏度，约是太阳核心温度的两倍。 麻省理工学院阿尔卡特C-Mod装置内部 2016年11月2日讯息，中国科学院合肥物质科学研究院电浆所承担的国家大科学工程“人造太阳”实验装置EAST在第11轮物理实验中再获重大突破，获得超过60秒的稳态高约束模电浆放电。EAST因此成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。原子是怎么被发现的?怎么观察到?
一、北京科技大学在哪个区 北京科技大学 是在北京市海淀区，具体地址在北京市海淀区学院路30号,该校是教育部直属全国重点大学，是全国首批正式成立研究生院的高等学校之一。
二、北京科技大学简介
北京科技大学 于1952年由天津大学（原北洋大学）、清华大学等6所国内著名大学的矿冶系科组建而成，现已发展成为以工为主，工、理、管、文、经、法等多学科协调发展的教育部直属全国重点大学，是全国首批正式成立研究生院的高等学校之一。1997年5月，学校首批进入国家“211工程”建设高校行列。2006年，学校成为首批“985工程”优势学科创新平台建设高校。2014年，学校牵头的，以 北京科技大学 、 东北大学 为核心高校的“钢铁共性技术协同创新中心”成功入选国家“2011计划”。2017年，学校入选国家“双一流”建设高校。2018年，学校获批国防科工局、教育部共建高校。
建校六十七年来，学校逐步形成了“学风严谨，崇尚实践”的优良传统，为社会培养各类人才20余万人，大部分已成为国家政治、经济、科技、教育等领域尤其是冶金、材料行业的栋梁和骨干。党和国家***罗干、刘淇、徐匡迪、黄孟复、范长龙、郭声琨、刘晓峰等都曾在校学习，另有38名校友当选为中国科学院或中国工程院院士，一大批校友走上了省长、市长的领导岗位，一大批校友担任中国一重、鞍钢集团、宝武集团、中国铝业、中国五矿、中国钢研和中国黄金等国家特大型企业的董事长或总经理。学校被誉为“钢铁摇篮”。
学校位于高校云集的北京市海淀区学院路，占地约80.39万平方米（包括管庄校区），校舍建筑总面积97万平方米（包括管庄校区）。学校现有1个国家科学中心，1个“2011计划”协同创新中心，2个国家重点实验室，2个国家工程（技术）研究中心，2个国家科技基础条件平台，2个国家级国际科技合作基地，50个省、部级重点实验室、工程研究中心、国际合作基地、创新引智基地等。特别是2007年，学校作为第一所教育部直属高校牵头承担了国家重大科技基础设施项目——重大工程材料服役安全研究评价设施，并负责筹建国家材料服役安全科学中心。图书馆实体馆藏230万余册（件）。定期出版《工程科学学报》《 北京科技大学 学报（社会科学版）》《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》《思想教育研究》《物流技术与应用》《金属世界》《粉末冶金技术》等重要学术刊物。
学校由土木与资源工程学院、冶金与生态工程学院、材料科学与工程学院、机械工程学院、能源与环境工程学院、自动化学院、计算机与通信工程学院、数理学院、化学与生物工程学院、东凌经济管理学院、文法学院、马克思主义学院、外国语学院、高等工程师学院，以及研究生院、体育部、管庄校区、融合创新研究院、天津学院、顺德研究生院等组成。现有20个一级学科博士学位授权点，30个一级学科硕士学位授权点，80个二级学科博士学位授权点，138个二级学科硕士学位授权点，另有MBA（含EMBA）、MPA、法律硕士、会计硕士、翻译硕士、社会工作、文物与博物馆和工程硕士等8个专业学位授权点，16个博士后科研流动站，53个本科专业。学校冶金工程、材料科学与工程、矿业工程、科学技术史4个全国一级重点学科学术水平蜚声中外（2017年进入国家世界一流学科建设行列；在第四轮学科评估，冶金工程、科学技术史获评A+，材料科学与工程获评A），安全科学与工程、环境科学与工程、控制科学与工程、动力工程与工程热物理、机械工程、计算机科学与技术、土木工程、化学、外国语言文学、管理科学与工程、工商管理、马克思主义理论等一批学科具有雄厚实力，力学、物理学、数学、信息与通信工程、仪器科学与技术、纳米材料器件、光电信息材料与器件等基础学科与交叉学科焕发出勃勃生机。
截至2018年底，全日制在校生2.5万余人，其中本专科生13683人，各类研究生10441人（其中硕士生7165人、博士生3276人），国际学生912人；学历继续教育学生71449人。在站博士后283人。已形成研究生教育、全日制本科、高职教育和继续教育多层次、较完整的人才培养体系。
学校拥有一支治学严谨的师资队伍。教职工总数3368人，具有正高级专业技术职务的教职工504人，具有副高级专业技术职务的教职工814人，其中专任教师1836人。现有中国科学院院士5人（双聘2人），中国工程院院士7人（双聘3人），国务院学位委员会委员1人，国务院学位委员会学科评议组成员5人，国家973项目首席科学家3人，国家级有突出贡献专家15人，省部级有突出贡献专家10人，“*奖励计划”特聘教授15人、青年学者5人，“国家杰出青年科学基金”获得者19人，“*”领军人才14人、青年拔尖人才4人，国家级教学名师2人，国家百千万人才工程人选17人，国家优秀青年科学基金获得者15人，北京市教学名师31人，教育部跨世纪/新世纪优秀人才103人。
学校的科研实力十分雄厚。1978年至2018年12月底，共申请专利7812项，授权专利4630项；有2000余项科研成果获国家、省、部委级等各种奖励，其中国家级奖励176项。1999年教育部编辑的《中国高等学校科技50年高校获奖重大成果一览表》中收录 北京科技大学 12项重大科研成果，在全国高校中名列前茅。据教育部统计，1978～2011年，学校获国家科技进步一等奖4项，列全国高校第4。学校“块体非晶合金的结构和强韧化研究”、“一维氧化锌的界面调控及其应用基础研究”的科研成果在基础研究和应用基础研究领域，阐明了自然现象、特征和规律，作出了重大科学贡献。近五年学校 “高性能铜铝复合材料连铸直接成形技术与应用”“露天转地下高效转型建设大型数字化地下金属矿山的研究与实践”“电弧炉炼钢复合吹炼技术的研究应用”“复杂组分战略金属再生关键技术创新及产业化”等大批科研成果在国民经济建设中发挥了重要作用，获得了巨大的经济效益和社会效益。据2018年发布数据，2017年学校师生发表论文被“SCIE”“EI”收录数量分别居全国高校第31位和21位。
学校不断拓展社会服务领域和发展空间，与国内150多个省市区政府、大型企事业单位签署了全面合作协议。同时，学校瞄准世界前沿，加强国际合作，先后与德国亚琛工业大学、美国橡树岭国家实验室、英国牛津大学等180多所著名大学和科研机构建立了合作关系，并开展了实质性的合作。
以培养德智体美劳全面发展的和接班人为根本任务，学校注重学生综合素质和创新、创业能力培养。学校每年被评为全国高校社会实践先进单位，学校学生在历年国家及北京市的各种竞赛中多次获得殊荣。特别是学生团队在“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”全国大学生科技学术竞赛、“创青春”全国大学生创业大赛、全国大学生智能汽车竞赛、全国大学生机器人大赛、全国大学生节能减排与社会实践大赛等竞赛中屡创佳绩，MEI机器人团队、智能车队先后获评大学生“小平科技创新团队”称号。学校积极营造“科学与艺术共融，人文与创新并存”的校园氛围，学生艺术团屡获佳绩，校史话剧《绽放》获得校园戏剧最高奖。学校高度重视学生思想品德教育，努力营造培养学生爱国主义、集体主义和精神的校园文化氛围，先后被授予“北京市文明校园”、“北京市党建和思想政治工作先进普通高校”及“首都文明单位标兵”等荣誉称号。2018年，学校入选教育部首批“三全育人”综合改革试点高校。
学校的体育竞技水平和群众性体育活动在北京乃至全国享有盛誉，涌现了一批以李敏宽、楼大鹏为代表的国家优秀运动员、教练员和体育官员。学生田径代表队在全国及北京市高校竞赛中数度摘桂；女篮代表队在北京市高校联赛中连续12次夺冠，并于2005年挺进CUBA全国八强。学校目前拥有约8.2万平方米的现代化体育场地。学校体育馆作为2008年奥运会、残奥会竞赛场馆，圆满完成了北京奥运会柔道、跆拳道，残奥会轮椅篮球、轮椅橄榄球四项赛事，学校体育馆团队被党中央国务院授予“北京奥运会、残奥会先进集体”荣誉称号。
今天， 北京科技大学 全体师生正满怀信心，迈着坚定的步伐，向着“把 北京科技大学 建设成为以工为主，工、理、管、文、经、法等多学科协调发展，规模适度，特色突出，国内一流，国际知名的高水平研究型大学”的目标而奋进。
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有着一个探险家所具备的最宝贵的素质：洞察力和直觉,这使得他能够抓住那个不起眼,但却是唯一的,稍纵即逝的线索,从而打开那扇通往全新世界的大门.1913年初,年轻的丹麦人汉森（Hans Marius Hansen）请教玻尔,在他那量子化的原子模型里如何解释原子的光谱线问题.对于这个问题,玻尔之前并没有太多地考虑过,原子光谱对他来说是陌生和复杂的,成千条谱线和种种奇怪的效应在他看来太杂乱无章,似乎不能从中得出什么有用的信息.然而汉森告诉玻尔,这里面其实是有规律的,比如巴尔末公式就是.他敦促玻尔关心一下巴尔末的工作.
突然间,就像伊翁（Ion）发现了藏在箱子里的绘着戈耳工的麻布,一切都豁然开朗.山重水复疑无路,柳暗花明又一村.在谁也没有想到的地方,量子得到了决定性的突破.1954年,玻尔回忆道：当我一看见巴尔末的公式,一切就都清楚不过了.
要从头回顾光谱学的发展,又得从伟大的本生和基尔霍夫说起,而那势必又是一篇规模宏大的文字.鉴于篇幅,我们只需要简单地了解一下这方面的背景知识,因为本史话原来也没有打算把方方面面都事无巨细地描述完全.概括来说,当时的人们已经知道,任何元素在被加热时都会释放出含有特定波长的光线,比如我们从中学的焰色实验中知道,钠盐放射出明亮的黄光,钾盐则呈紫色,锂是红色,铜是绿色……等等.将这些光线通过分光镜投射到屏幕上,便得到光谱线.各种元素在光谱里一览无余：钠总是表现为一对黄线,锂产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线,钾则是一条紫线.总而言之,任何元素都产生特定的唯一谱线.
但是,这些谱线呈现什么规律以及为什么会有这些规律,却是一个大难题.拿氢原子的谱线来说吧,这是最简单的原子谱线了.它就呈现为一组线段,每一条线都代表了一个特定的波长.比如在可见光区间内,氢原子的光谱线依次为：656,484,434,410,397,388,383,380……纳米.这些数据无疑不是杂乱无章的,1885年,瑞士的一位数学教师巴尔末（Johann Balmer）发现了其中的规律,并总结了一个公式来表示这些波长之间的关系,这就是著名的巴尔末公式.将它的原始形式稍微变换一下,用波长的倒数来表示,则显得更加简单明了：
ν＝R（1/2^2 - 1/n^2）
其中的R是一个常数,称为里德伯（Rydberg）常数,n是大于2的正整数（3,4,5……等等）.
在很长一段时间里,这是一个十分有用的经验公式.但没有人可以说明,这个公式背后的意义是什么,以及如何从基本理论将它推导出来.但是在玻尔眼里,这无疑是一个晴天霹雳,它像一个火花,瞬间点燃了玻尔的灵感,所有的疑惑在那一刻变得顺理成章了,玻尔知道,隐藏在原子里的秘密,终于向他嫣然展开笑颜.
我们来看一下巴耳末公式,这里面用到了一个变量n,那是大于2的任何正整数.n可以等于3,可以等于4,但不能等于3.5,这无疑是一种量子化的表述.玻尔深呼了一口气,他的大脑在急速地运转,原子只能放射出波长符合某种量子规律的辐射,这说明了什么呢?我们回忆一下从普朗克引出的那个经典量子公式：E = hν.频率（波长）是能量的量度,原子只释放特定波长的辐射,说明在原子内部,它只能以特定的量吸收或发射能量.而原子怎么会吸收或者释放能量的呢?这在当时已经有了一定的认识,比如斯塔克（J.Stark）就提出,光谱的谱线是由电子在不同势能的位置之间移动而放射出来的,英国人尼科尔森（J.W.Nicholson）也有着类似的想法.玻尔对这些工作无疑都是了解的.
一个大胆的想法在玻尔的脑中浮现出来：原子内部只能释放特定量的能量,说明电子只能在特定的“势能位置”之间转换.也就是说,电子只能按照某些“确定的”轨道运行,这些轨道,必须符合一定的势能条件,从而使得电子在这些轨道间跃迁时,只能释放出符合巴耳末公式的能量来.
我们可以这样来打比方.如果你在中学里好好地听讲过物理课,你应该知道势能的转化.一个体重100公斤的人从1米高的台阶上跳下来,他/她会获得1000焦耳的能量,当然,这些能量会转化为落下时的动能.但如果情况是这样的,我们通过某种方法得知,一个体重100公斤的人跳下了若干级高度相同的台阶后,总共释放出了1000焦耳的能量,那么我们关于每一级台阶的高度可以说些什么呢?
明显而直接的计算就是,这个人总共下落了1米,这就为我们台阶的高度加上了一个严格的限制.如果在平时,我们会承认,一个台阶可以有任意的高度,完全看建造者的兴趣而已.但如果加上了我们的这个条件,每一级台阶的高度就不再是任意的了.我们可以假设,总共只有一级台阶,那么它的高度就是1米.或者这个人总共跳了两级台阶,那么每级台阶的高度是0.5米.如果跳了3次,那么每级就是1/3米.如果你是间谍片的爱好者,那么大概你会推测每级台阶高1/39米.但是无论如何,我们不可能得到这样的结论,即每级台阶高0.6米.道理是明显的：高0.6米的台阶不符合我们的观测（总共释放了1000焦耳能量）.如果只有一级这样的台阶,那么它带来的能量就不够,如果有两级,那么总高度就达到了1.2米,导致释放的能量超过了观测值.如果要符合我们的观测,那么必须假定总共有一又三分之二级台阶,而这无疑是荒谬的,因为小孩子都知道,台阶只能有整数级.
在这里,台阶数“必须”是整数,就是我们的量子化条件.这个条件就限制了每级台阶的高度只能是1米,或者1/2米,而不能是这其间的任何一个数字.
原子和电子的故事在道理上基本和这个差不多.我们还记得,在卢瑟福模型里,电子像行星一样绕着原子核打转.当电子离核最近的时候,它的能量最低,可以看成是在“平地”上的状态.但是,一旦电子获得了特定的能量,它就获得了动力,向上“攀登”一个或几个台阶,到达一个新的轨道.当然,如果没有了能量的补充,它又将从那个高处的轨道上掉落下来,一直回到“平地”状态为止,同时把当初的能量再次以辐射的形式释放出来.
关键是,我们现在知道,在这一过程中,电子只能释放或吸收特定的能量（由光谱的巴尔末公式给出）,而不是连续不断的.玻尔做出了合理的推断：这说明电子所攀登的“台阶”,它们必须符合一定的高度条件,而不能像经典理论所假设的那样,是连续而任意的.连续性被破坏,量子化条件必须成为原子理论的主宰.
我们不得不再一次用到量子公式E = hν,还请各位多多包涵.史蒂芬.霍金在他那畅销书《时间简史》的Acknowledgements里面说,插入任何一个数学公式都会使作品的销量减半,所以他考虑再三,只用了一个公式E = mc2.我们的史话本是戏作,也不考虑那么多,但就算列出公式,也不强求各位看客理解其数学意义.唯有这个E = hν,笔者觉得还是有必要清楚它的含义,这对于整部史话的理解也是有好处的,从科学意义上来说,它也决不亚于爱因斯坦的那个E = mc2.所以还是不厌其烦地重复一下这个方程的描述：E代表能量,h是普朗克常数,ν是频率.
回到正题,玻尔现在清楚了,氢原子的光谱线代表了电子从一个特定的台阶跳跃到另外一个台阶所释放的能量.因为观测到的光谱线是量子化的,所以电子的“台阶”（或者轨道）必定也是量子化的,它不能连续而取任意值,而必须分成“底楼”,“一楼”,“二楼”等,在两层“楼”之间,是电子的禁区,它不可能出现在那里.正如一个人不能悬在两级台阶之间漂浮一样.如果现在电子在“三楼”,它的能量用W3表示,那么当这个电子突发奇想,决定跳到“一楼”（能量W1）的期间,它便释放出了W3-W1的能量.我们要求大家记住的那个公式再一次发挥作用,W3-W1 = hν.所以这一举动的直接结果就是,一条频率为ν的谱线出现在该原子的光谱上.
玻尔所有的这些思想,转化成理论推导和数学表达,并以三篇论文的形式最终发表.这三篇论文（或者也可以说,一篇大论文的三个部分）,分别题名为《论原子和分子的构造》（On the Constitution of Atoms and Molecules）,《单原子核体系》（Systems Containing Only a Single Nucleus）和《多原子核体系》（Systems Containing Several Nuclei）,于1913年3月到9月陆续寄给了远在曼彻斯特的卢瑟福,并由后者推荐发表在《哲学杂志》（Philosophical Magazine）上.这就是在量子物理历史上划时代的文献,亦即伟大的“三部曲”.
这确确实实是一个新时代的到来.如果把量子力学的发展史分为三部分,1900年的普朗克宣告了量子的诞生,那么1913年的玻尔则宣告了它进入了青年时代.一个完整的关于量子的理论体系第一次被建造起来,虽然我们将会看到,这个体系还留有浓重的旧世界的痕迹,但它的意义却是无论如何不能低估的.量子第一次使全世界震惊于它的力量,虽然它的意识还有一半仍在沉睡中,虽然它自己仍然置身于旧的物理大厦之内,但它的怒吼已经无疑地使整个旧世界摇摇欲坠,并动摇了延绵几百年的经典物理根基.神话中的巨人已经开始苏醒,那些藏在古老城堡里的贵族们,颤抖吧!
(2)美国研制出能够看见原子的电子显微镜 据美联社报道,美国橡树岭国家实验室的研究人员正在以创记录的分辨率清楚地观察原子世界,因为他们研究出的电子显微镜能够能分辨出硅晶体的单个、哑铃形状的原子. 橡树岭国家实验室电子显微镜研究小组的负责人斯蒂芬·彭尼库克说：“每当你能更加清楚地看到某种东西的时候,那么你便能了解一些秘密.”彭尼库克及其同事在《科学》杂志上的一篇文章中说,他们观察原子的图像分辨率已达到0.6埃,打破了橡树岭国家实验室今年早些时候刚刚创立的0.7埃图像辨析率的记录. 埃是光谱线波长的最小单位.一埃大约仅仅是人头发丝直径的五十万分之一.大多数原子的直径大约只有1埃.彭尼库克说：“我们正跨进一道原本无法企及的门槛,在里面我们有史以来第一次真正清楚地看到了原子.”彭尼库克表示,具备观测材料在原子水平下结合过程的能力可能会极大促进半导体产业、化学以及新材料开发的发展. 橡树岭国家实验室使用电子显微镜看见了以红色哑铃形状出现的硅原子图像,图像的分辨率达到了0.78埃.彭尼库克说：“这是我们首次获得低于埃的分辨率的明确证据.”橡树岭国家实验室是美国能源部下属的一个实验室.由彭尼库克领导的研究小组使用过一种30万伏的尖端电子显微镜,再辅以美国尼昂公司开发的一种称为像差修正的新型计算机化成像技术,对原子进行研究. 彭尼库克称这种分辨率修正技术能够同时给26块透镜调焦.彭尼库克说：“这项研究真正是一项具有历史意义的成果,因为过去50年科学家一直在进行这方面的研究,只是在最近几年才真正证明这种技术是可行的.”5年前,橡树岭国家实验室在没有使用像差修正技术的情况下创造了1.3埃图像分辨率的世界记录.而在今年早些时候,该实验室使用像差修正技术再次创造了0.7埃图像分辨率的世界记录.研究人员称他们下一个目标将是在三维空间下观察原子.
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