有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克大科學(xué)裝置EAST本文圖均為 科技日報(bào)微信公眾號(hào) 圖（除署名外）

價(jià)值400萬元人民幣的羽絨服、牛仔褲能派上什么用場？20多年前，它們換來了的中國的第一個(gè)“人造太陽”。

人類渴望在地球上模擬太陽內(nèi)部的核聚變，期望能夠把其驚人的能量穩(wěn)定地輸送給電站。托卡馬克是人們實(shí)現(xiàn)“完美能源”的希望，也被稱為“人造太陽”。

上世紀(jì)50年代開始，世界各國都在研制托卡馬克。90年代初，蘇聯(lián)已經(jīng)著手開發(fā)第二代托卡馬克，有意把第一代裝置送給其他國家，這對于“零起步”的中國而言機(jī)會(huì)難得。時(shí)任中科院等離子體物理研究所所長的霍裕平院士提議，用牛仔褲、羽絨服和他們換！

于是，“我們用400萬人民幣的羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資換來一個(gè)當(dāng)時(shí)價(jià)值1800萬盧布的裝置。”中國工程院院士李建剛說。

經(jīng)過三年半時(shí)間的拆解、改造，中國科學(xué)家在這個(gè)新裝置上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于其他國家的實(shí)驗(yàn)成績。但要實(shí)現(xiàn)核聚變，必須建造新一代全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

2006年9月，中國自主設(shè)計(jì)建造的世界首個(gè)全超導(dǎo)非圓截面核聚變裝置EAST建成，與國際同類實(shí)驗(yàn)裝置相比，它在當(dāng)時(shí)獲得四項(xiàng)世界“第一”，即使用資金最少、建設(shè)速度最快、投入運(yùn)行最早、運(yùn)行后獲得等離子放電最快。

由美、法等國在20世紀(jì)80年代中期發(fā)起的、旨在建立世界上第一個(gè)受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)反應(yīng)堆的ITER計(jì)劃也正是在這時(shí)才將中國吸納為七方合作成員之一。

從“逐日”到“并跑”

海水中大量蘊(yùn)藏的同位素氘和氚在聚變成一個(gè)氦原子的過程中，能夠釋放出的巨大能量，和太陽產(chǎn)生光和熱的過程相似。如果人類掌握了核聚變能源，將擁有可使用上十億年的清潔能源。

因此，受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置被人們稱之為“人造太陽”，是地球?qū)ふ夷茉闯雎返南Ｍ?。被寄予最大希望的核聚變?shí)驗(yàn)方案叫“托卡馬克”——用超強(qiáng)的磁場約束高溫的核燃料。

聚變堆工作原理   李建剛 圖

“人造太陽”這場追夢旅程是從上世紀(jì)50年代開始，那個(gè)時(shí)候全世界都在做托卡馬克。“中國擁有的第一個(gè)半超導(dǎo)核聚變裝置是上世紀(jì)九十年代，從國外引進(jìn)后加以改造發(fā)展的?！敝袊こ淘涸菏坷罱▌偦貞?。

科學(xué)家們花了一年半的時(shí)間把它全部拆掉，又花了兩年的時(shí)間把它裝起來，在這上面做了大量的實(shí)驗(yàn)。中科院等離子所副所長宋云濤說：“其他國家都做到幾秒鐘，我們在這個(gè)裝置上面做到了1000萬攝氏度持續(xù)60秒放電?！钡獙?shí)現(xiàn)核聚變，我們必須造一個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克。

這是利用磁場對等離子進(jìn)行約束的托卡馬克裝置

“中國要有自主建造的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置！”1998年等離子體所成立團(tuán)隊(duì)，目標(biāo)是建設(shè)世界首個(gè)全超導(dǎo)非圓截面核聚變裝置EAST，它的中文名字“東方超環(huán)”寄予著中國科學(xué)界的巨大期望。

等離子體所成立12個(gè)研究室，兩個(gè)技術(shù)支撐中心，攻克一個(gè)個(gè)難關(guān)。絕緣子是核心部件，這種只有圓珠筆大小的部件需要幾百個(gè)，國外報(bào)價(jià)一個(gè)上千美元。科學(xué)家們咬咬牙：“太貴了，不信這個(gè)東西我們自己做不成！”。

于是，潘皖江博士帶領(lǐng)一個(gè)小組，歷時(shí)3年，終于將絕緣子研制成功。然而導(dǎo)體研制、水冷系統(tǒng)、精密加工……一個(gè)個(gè)難關(guān)，一次次失敗卻接踵而至。有的科學(xué)家在國外求解技術(shù)難點(diǎn)時(shí)，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，寧愿每天在冰天雪地里走40多分鐘。年近古稀的老科學(xué)家高溫中暈倒在實(shí)驗(yàn)室，醒來第一句話就是問工作怎樣了……

這是有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克大科學(xué)裝置EAST（8月16日攝）。 新華社 資料圖

2006年9月，中國自主設(shè)計(jì)建造的EAST建成，并完成了首次成功放電，獲得電流200千安、時(shí)間接近3秒的高溫等離子體放電。與國際同類實(shí)驗(yàn)裝置相比，它在當(dāng)時(shí)獲得四項(xiàng)世界“第一”，即使用資金最少、建設(shè)速度最快、投入運(yùn)行最早、運(yùn)行后獲得等離子放電最快。

由美、法等國在20世紀(jì)80年代中期發(fā)起的、旨在建立世界上第一個(gè)受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)反應(yīng)堆的ITER計(jì)劃也正是在這時(shí)才將中國吸納為七方合作成員之一。

投入100億，加入ITER計(jì)劃

2003年中國正式以“平等伙伴”身份加入了ITER計(jì)劃談判。

2006年11月，時(shí)任科技部部長徐冠華在法國愛麗舍宮簽署ITER計(jì)劃《聯(lián)合實(shí)施協(xié)定》和《特權(quán)與豁免協(xié)定》。2007年8月，全國人大正式審議通過該協(xié)定文件。2007年10月ITER國際聚變能組織正式成立。2008年10月，科技部核聚變中心掛牌成立。

ITER反應(yīng)堆運(yùn)作圖

這一路走來，背后的艱辛磨難是難以想象的，也伴隨著諸多的爭議。

核聚變中心研究員潘傳紅說，當(dāng)時(shí)的美、俄、日、歐四方，在十幾年時(shí)間內(nèi)，投入15億美元進(jìn)行設(shè)計(jì)。中國加入ITER計(jì)劃，實(shí)際上包含了對設(shè)計(jì)技術(shù)的解讀與消化，以便用于我們國家未來的聚變能源的發(fā)展規(guī)劃。

然而當(dāng)時(shí)中國科研經(jīng)費(fèi)有限，是否以“平等伙伴”身份加入有爭議。

“加入的門檻是10%，10%差不多100億人民幣，當(dāng)時(shí)國家的整體實(shí)力也并不強(qiáng)，科研的投入也不像現(xiàn)在，在當(dāng)時(shí)科研投入總的經(jīng)費(fèi)也不多，所以有很多反對的聲音，認(rèn)為我們國家出這么多錢加入這么一個(gè)項(xiàng)目是不是值?！笨萍疾恐袊鴩H核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心主任羅德隆說。

在參加ITER計(jì)劃談判期間，科技部、外交部、財(cái)政部、教育部、中科院、國家自然科學(xué)基金委、中核集團(tuán)公司等部委和單位歷經(jīng)了多次論證，最終我國正式以平等伙伴身份加入了ITER計(jì)劃談判，中國人終于成為這一重要國際舞臺(tái)的平等一方。

自2008年以來，我國陸續(xù)承擔(dān)了18個(gè)采購包的制造任務(wù)，涵蓋了ITER裝置幾乎所有關(guān)鍵部件，由上百家科研院所、企業(yè)承擔(dān)。在ITER采購包研發(fā)制造過程中，取得了重大突破，解決了一系列聚變工程關(guān)鍵技術(shù)。

截至目前，我國交付ITER計(jì)劃的采購包部件實(shí)現(xiàn)了100％國產(chǎn)化，而且全部一次性100％合格，并按期交付。ITER組織兩任總干事對中方的評(píng)價(jià)是“中國在采購包的研發(fā)、生產(chǎn)方面領(lǐng)先于各方”。

中國核聚變技術(shù)領(lǐng)跑世界

經(jīng)過多年不懈努力，我國先后建成并升級(jí)改造了中國環(huán)流器二號(hào)A和東方超環(huán)EAST，用于在近堆芯的高參數(shù)條件下研究等離子體的穩(wěn)態(tài)和先進(jìn)運(yùn)行，深入探索實(shí)現(xiàn)聚變能源的工程、物理問題。

中國環(huán)流器二號(hào)A是我國第一個(gè)帶偏濾器的大型托卡馬克聚變研究裝置。自裝置建成以來，在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了三步跨越：第一步，磁位形由限制器位形到偏濾器位形的跨越；第二步，等離子體電子溫度達(dá)5500萬度，是迄今國內(nèi)裝置達(dá)到的最高溫度；第三步，等離子體約束模式由低約束模式到高約束模式的跨越。

尤其是2009年4月18日，中國環(huán)流器二號(hào)A在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了高約束模式運(yùn)行，使得我國成為繼美、日、歐之后第四個(gè)實(shí)現(xiàn)高約束模式運(yùn)行的國家。

中法科學(xué)家見證EAST遙操作維護(hù)系統(tǒng)調(diào)試成功。資料圖

EAST是世界上第一個(gè)“全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置”。近年來，EAST一直走在國際競爭最前列，在高性能、穩(wěn)態(tài)、長脈沖等離子體研究方面成績傲人。

2017年7月3日晚，EAST裝置在世界上首次實(shí)現(xiàn)了5000萬度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了從30秒到60秒，再到百秒量級(jí)的跨越。再次創(chuàng)造了核聚變新的世界紀(jì)錄。

這是2018年度EAST物理實(shí)驗(yàn)后，科研人員在進(jìn)行EAST裝置內(nèi)部檢查（8月29日攝）。 新華社 資料圖

2018年11月12日，中科院等離子體物理研究所發(fā)布消息： EAST近期實(shí)現(xiàn)了等離子體中心電子溫度達(dá)到1億攝氏度等多項(xiàng)重大突破，獲得的實(shí)驗(yàn)參數(shù)接近未來聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式所需要的物理?xiàng)l件，朝著未來聚變堆實(shí)驗(yàn)運(yùn)行邁出了關(guān)鍵一步。

這些里程碑性的重要突破，表明我國磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的物理和工程方面繼續(xù)走在國際前沿，對國際熱核聚變試驗(yàn)堆（ITER）和未來中國聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）建設(shè)和運(yùn)行具有重大的科學(xué)意義。

事實(shí)上，與ITER相比，EAST只有其1/4大小，但EAST的成功經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)支撐了ITER的建設(shè)。如研制出可通過90千安電流的高溫超導(dǎo)電流引線，使ITER制冷電耗每年減少2/3以上；證明ITER磁體電源設(shè)計(jì)方案存在的風(fēng)險(xiǎn)，并設(shè)計(jì)出新方案。宋云濤這樣展望未來：“EAST必將對ITER及下一代聚變裝置做出更多世界級(jí)的、獨(dú)一無二的貢獻(xiàn)?！?/p>

中國工程聚變堆設(shè)計(jì)圖

CFETR于2011年啟動(dòng)設(shè)計(jì)研究。根據(jù)中國科學(xué)家的設(shè)想，CFETR共分兩期完成。一期采取類ITER技術(shù)，目標(biāo)是穩(wěn)定運(yùn)行；二期則以自主創(chuàng)新為主，目標(biāo)是示范核聚變發(fā)電。CFETR的任務(wù)是在ITER和未來的核聚變電站之間建起橋梁。CFETR被期望在后期階段實(shí)現(xiàn)“Q大于25”的目標(biāo)，即每消耗1份能量，釋放出25份能量；而ITER的目標(biāo)是Q大于10。

CFETR概念圖

當(dāng)然，CFETR的設(shè)計(jì)制造也要借助世界各國的專家人才。世界聚變研究發(fā)達(dá)國家美國、德國、法國、意大利等已經(jīng)全面參與CFETR的設(shè)計(jì)；俄羅斯同行也表示將深入?yún)⑴cCFETR計(jì)劃。目前，CFETR裝置已完成設(shè)計(jì)研究并開始了工程化設(shè)計(jì)，有望在未來幾年啟動(dòng)。

在開發(fā)核聚變能的路上，中國已從“追趕者”“并跑者”，成長為具備強(qiáng)大國際輸出能力的“領(lǐng)跑者”。