點亮聚變的“第一盞燈”

 

聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施1/8真空室及總體安裝實驗平臺。記者 楊俊峰攝

 

 

4月12日，世界首個全超導(dǎo)托卡馬克東方超環(huán)（EAST）裝置在第122254次實驗中成功實現(xiàn)了403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模式等離子體運行。圖為科研人員正在進(jìn)行實驗。資料圖片

 

在中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所（下稱“等離子體所”）一間宏偉的實驗車間內(nèi)，有這樣一幅壁畫：天地洪荒的上古世界，巍峨的巨人“夸父”邁著矯健的步伐，踏過恢弘的山川河流，伸手前探。在他手指的方向，一輪紅日高懸于天。無懼烈日的灼烤，巨人努力伸手，希望可以夠到太陽。

 

夸父逐日的神話故事代表著中國人追求自然偉力的浪漫情懷與壯志雄心。如今，科技的力量讓神話走向現(xiàn)實。巨畫的正前方，佇立著一座15米高的可控核聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施1/8真空室及總體安裝實驗平臺。

 

50多年來，等離子體所“人造太陽”研究團隊不斷沖破極限，為“人造太陽”注入一縷縷光芒，讓聚變能的“第一盞燈”在中國點亮。

 

403秒的新紀(jì)錄

 

●“我們看到了核聚變實現(xiàn)的曙光”

 

“20時52分按下啟動鍵、21時實驗成功，這個時間我記得非常清楚，一輩子都忘不掉。”在等離子體所，講解員蔡其敏講述了那個足以載入史冊的時刻。

 

4月12日21時，正在運行的中國大科學(xué)裝置“人造太陽”、世界首個全超導(dǎo)托卡馬克東方超環(huán)（EAST）裝置取得重大成果，在第122254次實驗中成功實現(xiàn)了403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模式等離子體運行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模式運行新的世界紀(jì)錄。

 

“當(dāng)時我們的心情都很激動。”蔡其敏說，“我在第一時間就給萬元熙院士發(fā)去了信息。”

 

打開手機，蔡其敏向記者展示了他與中國工程院院士、磁約束核聚變專家萬元熙的對話。

 

“萬老師，EAST實現(xiàn)了403秒的H模等離子體運行！”

 

84歲的萬元熙“秒回”——“祝賀！祝賀！大家辛苦了！”

 

“這次突破的主要意義在于‘高約束模式’。”中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長、等離子體所所長宋云濤說，托卡馬克裝置等離子體運行模式可以分為H高約束模式、L低約束模式以及超級I模式等。在高約束模式下，粒子的溫度、密度大幅提升。長時間高約束模式運行為實現(xiàn)可控核聚變奠定堅實的物理基礎(chǔ)。此前的高約束模式運行世界紀(jì)錄是EAST于2017年創(chuàng)造的101.2秒，這也讓EAST成為世界上第一個實現(xiàn)穩(wěn)定高約束達(dá)到百秒量級的托卡馬克裝置。

 

為什么是400秒，而不是300秒或者500秒？“這和目前正在建設(shè)的全世界最大的國際熱核聚變實驗堆（ITER）有關(guān)。”蔡其敏說。

 

ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克。2006年5月，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，中國ITER談判聯(lián)合小組代表中國政府與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了ITER計劃協(xié)定。協(xié)定方包括了全世界主要的核國家和主要的亞洲國家，覆蓋的人口接近全球一半。在這一國際合作項目中，中國承擔(dān)了約9%的采購包研發(fā)任務(wù)，實現(xiàn)了向歐美發(fā)達(dá)國家的技術(shù)輸出，讓“中國設(shè)計”應(yīng)用于國際大科學(xué)工程。

 

蔡其敏說：“ITER預(yù)計2030年后正式運行，其目標(biāo)之一就是500WM聚變功率，高約束模式下維持時間超過400秒。”

 

此次EAST裝置取得的重大創(chuàng)新成果，為ITER的運行和中國自主建設(shè)運行聚變堆提供了重要的實驗基礎(chǔ)。

 

“我們已經(jīng)看到了核聚變實現(xiàn)的曙光。”蔡其敏說。

 

50多年的逐日之路

 

●“中國人要率先實現(xiàn)聚變能發(fā)電”

 

模擬太陽產(chǎn)生能量的原理，在地球上建造可控并持續(xù)反應(yīng)的核聚變裝置——“人造太陽”是人類的能源夢想。為此，中國科學(xué)家已為此奮斗了50多年。

 

1965年，四川樂山郊區(qū)建起了一個專業(yè)從事核聚變能源開發(fā)的研究機構(gòu)——二機部585所，即現(xiàn)在的核工業(yè)西南物理研究院。中國聚變?nèi)藦拇颂ど狭搜邪l(fā)“人造太陽”的逐夢之旅。

 

1978年9月20日，位于安徽合肥蜀山湖畔的等離子體所正式批復(fù)建立。上世紀(jì)90年代初，等離子體所將已停機的蘇聯(lián)托卡馬克裝置T-7引入國內(nèi)進(jìn)行改造。1994年12月，由T-7改造成的超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7首次獲得等離子體，成為中國第一臺超導(dǎo)托卡馬克。

 

在此基礎(chǔ)上，等離子體所的科學(xué)家又提出了新的升級改造計劃——“HT-7U全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置建設(shè)”計劃。項目于2003年10月更名為EAST，中文名為“東方超環(huán)”。

 

2000年9月，EAST正式動工，2006年9月26日，EAST第一次放電成功。

 

EAST是世界上首臺全超導(dǎo)托卡馬克裝置，其內(nèi)部30個超導(dǎo)線圈在極低溫條件下具有零電阻效應(yīng)，可以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的約束磁場，使高溫等離子體穩(wěn)態(tài)運行成為可能。

 

在EAST高11米、直徑8米的主機中，集成了超高溫（億攝氏度等離子體）、超低溫（-269攝氏度超導(dǎo)線圈）、超高真空（大氣壓的千億分之一）、超強磁場（地磁場的數(shù)萬倍）、超大電流（普通插線盒的千倍以上）五大極限工況。

 

“我們花了10年的時間，建成世界首個全超導(dǎo)托卡馬克裝置。其后又花了15年的時間，先后實現(xiàn)了1兆安、1億度和1000秒三大科學(xué)目標(biāo)。”中國工程院院士、等離子體物理學(xué)家李建剛說，“東方超環(huán)是由中國科學(xué)家和工程技術(shù)人員設(shè)計70%的關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵儀器，整個裝置的國產(chǎn)化率達(dá)到了90%。”

 

從等離子體所創(chuàng)始人陳春先，到引入T-7的中科院院士霍裕平，再到在潘垣、萬元熙、李建剛、萬寶年等幾位院士的帶領(lǐng)下，EAST大科學(xué)工程團隊攻堅克難，堅持耕耘在“人造太陽”這條漫長而又艱辛的道路上。

 

目前，下一代“人造太陽”中國聚變工程實驗堆已完成工程設(shè)計，未來中國將瞄準(zhǔn)建設(shè)世界首個聚變示范堆。

 

“我們給自己定了一個目標(biāo)——中國人要率先實現(xiàn)聚變能發(fā)電。”蔡其敏說。

 

700多位專家的掌聲

 

●“把聚變研究變成工程實踐的第一步”

 

2006年10月，中國聚變?nèi)擞瓉砀吖鈺r刻。

 

當(dāng)時，國際聚變能大會在四川省成都市舉行，萬元熙在開幕式上第一個作報告，題為《EAST項目進(jìn)展概況及未來規(guī)劃》。按慣例，開場報告一般都是由世界上最先進(jìn)的聚變研究所來作。

 

報告結(jié)束后，現(xiàn)場科學(xué)家熱烈提問。第二個站起來的是美國教授戈登斯通。以往，戈登斯通參加國際大會都會提出非常尖銳的問題，但他卻站起來說：“我建議全體起立，為中國的EAST熱烈鼓掌祝賀！”

 

在國際聚變能大會上，700多位與會代表為某項科研成就熱烈鼓掌，這是從未有過的場景。EAST大科學(xué)工程團隊?wèi){借過硬的實力，走向世界聚變舞臺的中央。

 

如今，EAST成為國際磁約束聚變裝置中最前沿的國際開放平臺之一。今年5月6日，磁約束聚變能研究開放創(chuàng)新試點在安徽省合肥市正式啟動，這是中科院啟動的首個開放創(chuàng)新試點領(lǐng)域。中國科學(xué)家正依托EAST這一國際一流聚變研究共享基礎(chǔ)設(shè)施，攜手全球科學(xué)家創(chuàng)新開展覆蓋全球時區(qū)的EAST“三班制”物理實驗，朝著人類終極能源加速前進(jìn)。

 

據(jù)介紹，圍繞HT-7、EAST等大科學(xué)工程項目的建設(shè)和運行以及深度參與ITER計劃，等離子體所與歐美俄日等40多個國家和地區(qū)超過120家科研機構(gòu)建立了穩(wěn)定的交流與合作關(guān)系。磁約束聚變實驗裝置成為國家開放共享大科學(xué)裝置標(biāo)桿之一，幫助東南亞、西亞、南美、北非等地核聚變新興國家的相關(guān)學(xué)科研究和實驗裝置建設(shè)。EAST裝置實驗數(shù)據(jù)對全球開放共享，全球合作者可無障礙遠(yuǎn)程參與。

 

目前，中法聚變聯(lián)合中心、中俄超導(dǎo)聯(lián)合質(zhì)子中心、中美國際托卡馬克合作研究中心、國際聚變能聯(lián)合中心等相繼落成并運行，不斷產(chǎn)出具有國際影響力的重要創(chuàng)新成果。

 

“自從遠(yuǎn)古以來，我們的祖先就有‘夸父逐日’的夢想。今天，我們把聚變研究變成工程實踐的第一步。”李建剛說，“我相信中國聚變?nèi)艘欢〞c世界各地的同行一起，共同點亮聚變的第一盞燈。”