點(diǎn)亮聚變的“第一盞燈”

 

聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施1/8真空室及總體安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。記者 楊俊峰攝

 

 

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

 

在中國(guó)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(shí)驗(yàn)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(guó)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(shí)。巨畫的正前方，佇立著一座15米高的可控核聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施1/8真空室及總體安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

 

50多年來，等離子體所“人造太陽”研究團(tuán)隊(duì)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(guó)點(diǎn)亮。

 

403秒的新紀(jì)錄

 

●“我們看到了核聚變實(shí)現(xiàn)的曙光”

 

“20時(shí)52分按下啟動(dòng)鍵、21時(shí)實(shí)驗(yàn)成功，這個(gè)時(shí)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(gè)足以載入史冊(cè)的時(shí)刻。

 

4月12日21時(shí)，正在運(yùn)行的中國(guó)大科學(xué)裝置“人造太陽”、世界首個(gè)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(shí)驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了403秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模式等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模式運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。

 

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

 

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

 

“萬老師，EAST實(shí)現(xiàn)了403秒的H模等離子體運(yùn)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(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長(zhǎng)、等離子體所所長(zhǎng)宋云濤說，托卡馬克裝置等離子體運(yùn)行模式可以分為H高約束模式、L低約束模式以及超級(jí)I模式等。在高約束模式下，粒子的溫度、密度大幅提升。長(zhǎng)時(shí)間高約束模式運(yùn)行為實(shí)現(xiàn)可控核聚變奠定堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。此前的高約束模式運(yùn)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(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高約束達(dá)到百秒量級(jí)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(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）有關(guān)。”蔡其敏說。

 

ITER裝置是一個(gè)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(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，中國(guó)ITER談判聯(lián)合小組代表中國(guó)政府與歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)共同草簽了ITER計(jì)劃協(xié)定。協(xié)定方包括了全世界主要的核國(guó)家和主要的亞洲國(guó)家，覆蓋的人口接近全球一半。在這一國(guó)際合作項(xiàng)目中，中國(guó)承擔(dān)了約9%的采購包研發(fā)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了向歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)輸出，讓“中國(guó)設(shè)計(jì)”應(yīng)用于國(guó)際大科學(xué)工程。

 

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

 

此次EAST裝置取得的重大創(chuàng)新成果，為ITER的運(yùn)行和中國(guó)自主建設(shè)運(yùn)行聚變堆提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

 

“我們已經(jīng)看到了核聚變實(shí)現(xiàn)的曙光。”蔡其敏說。

 

50多年的逐日之路

 

●“中國(guó)人要率先實(shí)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(mèng)想。為此，中國(guó)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(gè)專業(yè)從事核聚變能源開發(fā)的研究機(jī)構(gòu)——二機(jī)部585所，即現(xiàn)在的核工業(yè)西南物理研究院。中國(guó)聚變?nèi)藦拇颂ど狭搜邪l(fā)“人造太陽”的逐夢(mèng)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(jī)的蘇聯(lián)托卡馬克裝置T-7引入國(guó)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(guó)第一臺(tái)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(jí)改造計(jì)劃——“HT-7U全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置建設(shè)”計(jì)劃。項(xiàng)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(dòng)工，2006年9月26日，EAST第一次放電成功。

 

EAST是世界上首臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，其內(nèi)部30個(gè)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(chǎng)，使高溫等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行成為可能。

 

在EAST高11米、直徑8米的主機(jī)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(qiáng)磁場(chǎng)（地磁場(chǎng)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(shí)間，建成世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。其后又花了15年的時(shí)間，先后實(shí)現(xiàn)了1兆安、1億度和1000秒三大科學(xué)目標(biāo)。”中國(guó)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(guó)科學(xué)家和工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)70%的關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵儀器，整個(gè)裝置的國(guó)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(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，堅(jiān)持耕耘在“人造太陽”這條漫長(zhǎng)而又艱辛的道路上。

 

目前，下一代“人造太陽”中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆已完成工程設(shè)計(jì)，未來中國(guó)將瞄準(zhǔn)建設(shè)世界首個(gè)聚變示范堆。

 

“我們給自己定了一個(gè)目標(biāo)——中國(guó)人要率先實(shí)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(shí)踐的第一步”

 

2006年10月，中國(guó)聚變?nèi)擞瓉砀吖鈺r(shí)刻。

 

當(dāng)時(shí)，國(guó)際聚變能大會(huì)在四川省成都市舉行，萬元熙在開幕式上第一個(gè)作報(bào)告，題為《EAST項(xiàng)目進(jìn)展概況及未來規(guī)劃》。按慣例，開場(chǎng)報(bào)告一般都是由世界上最先進(jìn)的聚變研究所來作。

 

報(bào)告結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)家熱烈提問。第二個(gè)站起來的是美國(guó)教授戈登斯通。以往，戈登斯通參加國(guó)際大會(huì)都會(huì)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(guó)的EAST熱烈鼓掌祝賀！”

 

在國(guó)際聚變能大會(huì)上，700多位與會(huì)代表為某項(xiàng)科研成就熱烈鼓掌，這是從未有過的場(chǎng)景。EAST大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)?wèi){借過硬的實(shí)力，走向世界聚變舞臺(tái)的中央。

 

如今，EAST成為國(guó)際磁約束聚變裝置中最前沿的國(guó)際開放平臺(tái)之一。今年5月6日，磁約束聚變能研究開放創(chuàng)新試點(diǎn)在安徽省合肥市正式啟動(dòng)，這是中科院?jiǎn)?dòng)的首個(gè)開放創(chuàng)新試點(diǎn)領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)家正依托EAST這一國(guó)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(shí)區(qū)的EAST“三班制”物理實(shí)驗(yàn)，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(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)行以及深度參與ITER計(jì)劃，等離子體所與歐美俄日等40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)超過120家科研機(jī)構(gòu)建立了穩(wěn)定的交流與合作關(guān)系。磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置成為國(guó)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(guó)家的相關(guān)學(xué)科研究和實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)。EAST裝置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(guó)際托卡馬克合作研究中心、國(guó)際聚變能聯(lián)合中心等相繼落成并運(yùn)行，不斷產(chǎn)出具有國(guó)際影響力的重要?jiǎng)?chuàng)新成果。

 

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