我國(guó)自主設(shè)計(jì)、自主建造的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。中國(guó)科學(xué)院合肥研究院等離子體所供圖

眼下，合肥科學(xué)島春光無(wú)限、生機(jī)盎然。小島的中間地帶，矗立著一座外形酷似宇宙飛船的大樓——中國(guó)科學(xué)院合肥研究院等離子體所；大樓深處，有一個(gè)大科學(xué)裝置——全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（中文名為東方超環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)EAST），俗稱(chēng)“人造太陽(yáng)”。

這座由我國(guó)自主設(shè)計(jì)、自主建造的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，多次創(chuàng)造出等離子體運(yùn)行的世界紀(jì)錄，代表著我國(guó)磁約束聚變研究在高溫等離子體運(yùn)行物理和工程方面的研究水平，為全人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

“人造太陽(yáng)”長(zhǎng)什么樣？何時(shí)能造福人類(lèi)？前不久，記者進(jìn)行了實(shí)地探訪。

一旦人類(lèi)掌握了核聚變能，將擁有可使用上百億年的清潔能源

盡管提前做了一些功課，當(dāng)真正來(lái)到“人造太陽(yáng)”面前，這個(gè)龐然大物依然讓人震撼。裝置主體高11米、直徑8米、重達(dá)400噸，周?chē)?a target="_blank">供電、冷卻等輔助設(shè)備林立。其核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)像面包圈的環(huán)形磁容器“托卡馬克”。

探訪當(dāng)天，“人造太陽(yáng)”并未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。大約十幾名科研人員手持檢測(cè)工具，在裝置主體上下攀爬，進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和更新。裝置零件數(shù)量巨大，材料和工藝完全依靠自主研發(fā)。從2006年建成至今，裝置每年都會(huì)進(jìn)行保養(yǎng)和零部件更新?lián)Q代，確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

俗話說(shuō)萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。在太陽(yáng)內(nèi)部無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生著核聚變，為大自然帶來(lái)最普遍的能量來(lái)源。所謂“人造太陽(yáng)”，是指充分利用這個(gè)科學(xué)原理，在地球上建造一套核聚變裝置，像太陽(yáng)一樣發(fā)生核聚變反應(yīng)，從而源源不斷地產(chǎn)生能量。嚴(yán)格意義上講，“人造太陽(yáng)”的稱(chēng)謂并非專(zhuān)屬于東方超環(huán)，凡是應(yīng)用了類(lèi)似原理的裝置，都能這么稱(chēng)呼。

“人造太陽(yáng)”重要性體現(xiàn)在哪里？

這要從核聚變能的優(yōu)點(diǎn)說(shuō)起。相比核裂變，核聚變沒(méi)有放射性。氘和氚反應(yīng)的生成物是氦氣，對(duì)環(huán)境無(wú)害，一旦造成反應(yīng)的等離子體熄滅，聚變反應(yīng)會(huì)終止。核聚變的原料儲(chǔ)量也很豐富，氘可以直接在海水中提取，氚則可以通過(guò)中子和鋰反應(yīng)產(chǎn)生。據(jù)估算，一升海水中提煉出來(lái)的氘經(jīng)過(guò)核聚變反應(yīng)釋放出的能量相當(dāng)于300升汽油完全燃燒釋放的能量。

核聚變能憑借資源無(wú)限、清潔環(huán)保，不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是目前認(rèn)識(shí)到的、可以最終解決全球能源問(wèn)題的重要途徑之一。一旦人類(lèi)掌握了核聚變能，將擁有可使用上百億年的清潔能源。

東方超環(huán)這座大科學(xué)裝置對(duì)實(shí)現(xiàn)核聚變能有什么貢獻(xiàn)？

中科院合肥研究院副院長(zhǎng)、等離子體所所長(zhǎng)宋云濤介紹，這座大科學(xué)裝置的科學(xué)目標(biāo)，正是從前期基礎(chǔ)研究出發(fā)，對(duì)受控核聚變相關(guān)的前沿物理問(wèn)題展開(kāi)探索性實(shí)驗(yàn)研究，既著眼物理理論突破，又同時(shí)驗(yàn)證工程上的可行性，為將來(lái)打造真正的商業(yè)聚變堆、電站打下基礎(chǔ)。

太陽(yáng)發(fā)生核聚變，主要依靠星球引力約束等離子體。可地球上沒(méi)有那么大引力，要想讓能量不失控，就需要借助磁場(chǎng)來(lái)約束。受控?zé)岷司圩兊膶?shí)現(xiàn)離不開(kāi)超高溫、超低溫、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超大電流、超高真空的極限環(huán)境，科學(xué)家們用磁場(chǎng)做成“托卡馬克”這座“磁籠”，牢牢將高溫物質(zhì)控制住，磁場(chǎng)外面用真空隔絕，保護(hù)裝置材料不被燒毀。

盡管主流可控核聚變方式不只有磁約束這一種，還有慣性約束、引力約束等，但磁約束在實(shí)驗(yàn)室條件下接近成功，也是國(guó)際上主流的研究方向。因此，托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置被公認(rèn)為是探索、解決未來(lái)穩(wěn)態(tài)聚變反應(yīng)堆工程及物理問(wèn)題的最有效的途徑，是地球?qū)ふ揖圩兡茉闯雎返南Ｍ?/p>

在東方超環(huán)這座大科學(xué)裝置的牽引下，衍生出一系列創(chuàng)新成果

從5000萬(wàn)攝氏度放電30秒至60秒，再到百秒，再到1億攝氏度運(yùn)行20秒……東方超環(huán)不斷刷新著放電紀(jì)錄。如果能較長(zhǎng)時(shí)間維持1億攝氏度的高溫，實(shí)現(xiàn)接近1000秒的放電時(shí)間，將證明人類(lèi)距離解決核聚變商業(yè)化應(yīng)用的步伐更進(jìn)一步。

每一秒的增長(zhǎng)，在科學(xué)上都具有極高的難度，背后是科研人員夜以繼日的鉆研和嘔心瀝血的付出。

實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兒头€(wěn)態(tài)約束等離子體，是國(guó)際共性科學(xué)難題。根據(jù)物理學(xué)理論“勞森判據(jù)”，核聚變點(diǎn)火條件包括核聚變?nèi)剂系臏囟?、密度和約束時(shí)間這三個(gè)要素。據(jù)等中國(guó)科學(xué)院合肥研究院等離子體所博士鄢容介紹，想實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，首先要達(dá)到1億攝氏度以上，使聚變?nèi)剂贤耆婋x，并在保證等離子體密度的前提下，將高溫等離子體維持相對(duì)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，不泄漏不逃逸，才可能釋放出足夠多的能量。托卡馬克的高溫物質(zhì)，就像是一群正在嬉戲打鬧的淘氣孩子，很難控制。溫度、密度、時(shí)間這三個(gè)要素缺一不可，相互協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)，才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)約束。

除了科學(xué)實(shí)驗(yàn)難度高，作為集成系統(tǒng)，這個(gè)裝置對(duì)工程配合要求也極高。據(jù)了解，整個(gè)大科學(xué)裝置總共有48個(gè)窗口，零件數(shù)量相當(dāng)于5架波音777飛機(jī)的零件總和。短短的數(shù)十秒運(yùn)行中，任何一個(gè)零件失靈，任何一滴不該出現(xiàn)的水珠，任何一個(gè)停滯的環(huán)節(jié)，都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。科研人員不舍晝夜地實(shí)驗(yàn)、調(diào)試，就是希望能更精確掌握等離子體的基本特性，研究改進(jìn)“磁籠子”的形態(tài)和性質(zhì)，在看似雜亂無(wú)章的現(xiàn)象中發(fā)掘科學(xué)規(guī)律，提出長(zhǎng)時(shí)間等離子體穩(wěn)定約束的最佳運(yùn)行方案。

大科學(xué)裝置集高精尖技術(shù)于一身，其承載的意義不僅僅是追求科學(xué)目標(biāo)本身。在東方超環(huán)這座大科學(xué)裝置的牽引下，衍生出了一系列重要的創(chuàng)新成果，形成了超導(dǎo)技術(shù)、低溫技術(shù)、等離子體技術(shù)、生物技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等多個(gè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)板塊，推動(dòng)一大批高新技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了“一路摘瓜”“沿途下蛋”。

比如，質(zhì)子和重離子放療是目前國(guó)際公認(rèn)最尖端的放射治療技術(shù)，一直被發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷。中國(guó)科學(xué)院合肥研究院等離子體所利用大科學(xué)裝置的超導(dǎo)技術(shù)，積極研制國(guó)內(nèi)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用超導(dǎo)質(zhì)子癌癥治療系統(tǒng)，將大幅降低患者治療費(fèi)用。

此外，等離子體還能治療皮膚病，有廣譜抗菌、加速凝血、促進(jìn)細(xì)胞增殖、無(wú)耐藥性及副作用等優(yōu)點(diǎn)；中國(guó)科學(xué)院合肥研究院等離子體所將大科學(xué)裝置離子束技術(shù)引入生物學(xué)科，致力于微生物新菌種的創(chuàng)制、發(fā)酵調(diào)控、產(chǎn)物分離分析及終端產(chǎn)品的研究和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。

據(jù)介紹，我國(guó)的核聚變研究與國(guó)際基本同步，甚至在聚變某些技術(shù)領(lǐng)域確立了領(lǐng)跑地位，在超導(dǎo)、穩(wěn)態(tài)控制、加熱等方面鞏固了中國(guó)特色。有國(guó)外期刊稱(chēng)贊“中國(guó)創(chuàng)造了聚變歷史”“在這里科學(xué)價(jià)值得到極大體現(xiàn)”。

以東方超環(huán)項(xiàng)目為依托，科研人員參與了目前全球規(guī)模最大的國(guó)際科研合作項(xiàng)目

在國(guó)際科技合作方面，東方超環(huán)作為國(guó)際磁約束聚變裝置中最前沿的國(guó)際開(kāi)放平臺(tái)之一，積極開(kāi)展國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)了全面開(kāi)放共享。

更重要的是，以這個(gè)項(xiàng)目為依托，我國(guó)科研人員參與了目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目ITER（國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃）。該計(jì)劃的目標(biāo)是在和平利用聚變能的基礎(chǔ)上，探索聚變?cè)诳茖W(xué)和工程上的可行性。包括中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家參與了這個(gè)國(guó)家大科學(xué)項(xiàng)目，舉多國(guó)合力向受控聚變實(shí)驗(yàn)堆邁進(jìn)。

“東方超環(huán)很像ITER的縮小版，運(yùn)行模式也都是采用了長(zhǎng)脈沖高約束。我國(guó)科研人員在這個(gè)裝置上摸爬滾打這么多年，每個(gè)材料都摸過(guò)，每個(gè)環(huán)節(jié)都練過(guò)，真正積累了等離子體運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，能在科學(xué)原理和工程建設(shè)上為ITER提供寶貴參考經(jīng)驗(yàn)?！彼卧茲f(shuō)。

當(dāng)前，我國(guó)承擔(dān)了ITER10%左右的采購(gòu)包，其中七成由中科院合肥研究院等離子體所承擔(dān)。科研人員勇于擔(dān)當(dāng)，直接爭(zhēng)取到ITER最重要的核心設(shè)備“超導(dǎo)磁體”的建造任務(wù)。這個(gè)任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)很大，但科研人員不畏艱難，高效高質(zhì)交付了18個(gè)采購(gòu)包制造內(nèi)容，涵蓋了ITER裝置幾乎所有關(guān)鍵部件。
大電流高溫超導(dǎo)直流電纜、脈沖高壓變電站首臺(tái)主變壓器……自主研發(fā)的各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)到歐洲，獲得了合作伙伴的高度認(rèn)可。也正因?yàn)樗麄兊某錾憩F(xiàn)，我國(guó)直接拿下了整個(gè)裝置的總裝任務(wù)。2020年10月，ITER計(jì)劃啟動(dòng)主體安裝工作，我國(guó)科研人員恪守承諾，確保安裝進(jìn)度正常。

參與ITER項(xiàng)目十幾年，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)獲得了深度參與國(guó)際科研合作項(xiàng)目的機(jī)會(huì)，積累了建造“人造太陽(yáng)”的經(jīng)驗(yàn)，在材料科學(xué)、超導(dǎo)技術(shù)等領(lǐng)域研發(fā)能力得到進(jìn)步，為中國(guó)建造聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）奠定了基礎(chǔ)。

“許多研究物理的年輕人通過(guò)在ITER的歷練，開(kāi)闊了眼界，鍛煉了本領(lǐng)，回國(guó)后成為‘挑大梁’的骨干?！彼卧茲f(shuō)，許多與中科院合肥研究院合作的國(guó)內(nèi)企業(yè)，在生產(chǎn)超導(dǎo)材料、打造零部件方面達(dá)到一流水平，積累了國(guó)際工程管理、國(guó)際合作經(jīng)驗(yàn)；一些企業(yè)甚至走出國(guó)門(mén)，拿到了國(guó)際訂單。

“作為東方超環(huán)的科研團(tuán)隊(duì)，我們感到責(zé)任重大、使命光榮。近期，我們希望通過(guò)努力，向超高溫度更長(zhǎng)時(shí)間的放電努力，產(chǎn)出一批原創(chuàng)性、戰(zhàn)略性、集成性創(chuàng)新成果；長(zhǎng)期而言，我們盼望著能夠?qū)崿F(xiàn)大科學(xué)裝置能量輸出大于輸入，爭(zhēng)取在2040年前后建成聚變電站，讓千家萬(wàn)戶早日用上核聚變能源，實(shí)現(xiàn)清潔能源夢(mèng)想?！彼卧茲f(shuō)。

編輯：jq