“東方”之光

葉華龍

太陽普照大地，孕育萬物，其能量來自于其內(nèi)部一刻不停的核聚變反應(yīng)。如果人類能夠掌控核聚變反應(yīng)，就如同把握了開啟能源寶藏的鑰匙。在世界的東方，有一群中國科學(xué)家正在為構(gòu)建“人造太陽”而不懈地努力著。

核聚變能：人類未來的理想新能源

煤炭、石油、天然氣這類化石能源終將因其不可再生而枯竭，人類未來的命運(yùn)寄托在尋找更加持久的清潔能源上。能量巨大又不受制于地理?xiàng)l件限制且可作為主力能源的當(dāng)屬核能。核能可分為核裂變能與核聚變能。前者已經(jīng)被人類利用發(fā)電，但裂變堆的核燃料蘊(yùn)藏極為有限，放射性核廢料的處理也是難題；而核聚變能卻不存在上述問題，具有先天優(yōu)越性。核聚變能的物理基礎(chǔ)是氫的同位素氘和氚發(fā)生聚變核反應(yīng)。氘和氚基本沒有放射性，兩者聚變反應(yīng)的生成物是氦氣，對環(huán)境完全無害。而且核聚變的原料儲量也很豐富，氘可以直接在海水中提取，氚則可以通過氘和鋰反應(yīng)產(chǎn)生。據(jù)估算，一升海水中提煉出來的氘經(jīng)過核聚變反應(yīng)釋放出的能量相當(dāng)于300升的汽油。

因此，核聚變能憑借資源無限、清潔環(huán)保、不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是目前找到的可以最終解決人類能源問題和環(huán)境問題、推動人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。如果人類掌握了核聚變能源，將擁有可使用10億年的清潔能源，它是人類未來能源的希望所在。

托卡馬克：“人造太陽”核聚變實(shí)驗(yàn)裝置

能源前景固然美好，但在地球上實(shí)現(xiàn)持續(xù)核聚變所需的條件非?？量?，只有在上億攝氏度的高溫等離子體環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)自發(fā)的持續(xù)核聚變反應(yīng)。在地球上如何盛載上億攝氏度的高溫等離子體并加以約束控制，讓它們在其中持續(xù)性地發(fā)生核聚變，便是重大挑戰(zhàn)之一。

20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)科學(xué)家提出了磁約束的概念，并建成了一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器裝置，稱為托卡馬克（Tokamak，俄語“磁線圈環(huán)形真空室”的縮寫）。托卡馬克是一個(gè)由封閉磁場組成的“容器”，形狀類似汽車的內(nèi)部輪胎。在通電的時(shí)候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，帶電粒子會沿封閉的磁力線做螺旋式運(yùn)動，上億攝氏度高溫的等離子體就這樣被約束在這種環(huán)形的磁場中。

磁約束是實(shí)現(xiàn)受控核聚變的一種可行的途徑，是利用磁場來約束溫度極高的等離子體的核燃料以使其反應(yīng)。核聚變能與太陽產(chǎn)生的能量方式相同，因此受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置被人們稱為“人造太陽”。托卡馬克并不是在地球上真正制造一個(gè)小太陽，而是指其產(chǎn)能原理與太陽相同。托卡馬克是人類為盡早開發(fā)聚變能研制出的一種實(shí)驗(yàn)裝置。托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置被公認(rèn)為是探索、解決未來穩(wěn)態(tài)聚變反應(yīng)堆工程及物理問題的最有效的途徑之一，是地球?qū)ふ夷茉闯雎返南Ｍ?h3> EAST托卡馬克：推動我國聚變研究走在國際前列

中國科學(xué)院等離子體物理研究所（以下簡稱等離子體所）成立于1978年9月，主要從事高溫等離子體物理和受控?zé)岷司圩兗捌湎嚓P(guān)高技術(shù)研究，以探索、開發(fā)、解決人類無限而清潔的新能源為最終目的。等離子體所先后建造并運(yùn)行了中小型托卡馬克裝置HT-6B和HT-6M，超導(dǎo)托卡馬克HT-7和EAST四代裝置。由等離子體所自主設(shè)計(jì)、研制并完全擁有知識產(chǎn)權(quán)的EAST，是世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)偏濾器托卡馬克。EAST既是“先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克”的縮寫，又有“東方”的含意，故EAST裝置中文名為“東方超環(huán)”。

作為國家大科學(xué)工程之一，EAST項(xiàng)目于1998年獲批立項(xiàng)，2000年開工建設(shè)，2005年底完成總裝，2006年工程調(diào)試和放電實(shí)驗(yàn)一次成功。EAST輔助加熱項(xiàng)目（EAST二期）2011年開工建設(shè)，2015年通過國家驗(yàn)收，不僅提前完成項(xiàng)目建設(shè)任務(wù)，而且輔助加熱系統(tǒng)達(dá)到或超過設(shè)計(jì)指標(biāo)。EAST裝置研制過程中，等離子體所解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，自主發(fā)展了68項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，自研率超過90%，形成了多個(gè)重大創(chuàng)新點(diǎn)，如大型超導(dǎo)磁體、超高真空、偏濾器、超導(dǎo)導(dǎo)體生產(chǎn)等，填補(bǔ)相關(guān)國內(nèi)空白并具有廣泛的應(yīng)用前景，一些獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)得到了國際同行的贊賞和借鑒。

EAST裝置因其獨(dú)有的全超導(dǎo)、非圓截面及主動冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)三大特性和在高參數(shù)下開展穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的能力，已經(jīng)成為國際磁約束聚變裝置中最前沿的國際開放的實(shí)驗(yàn)平臺之一。EAST自2006年首次放電成功至今已開展了12輪物理實(shí)驗(yàn)，總放電超過80000次，先后創(chuàng)造多項(xiàng)托卡馬克運(yùn)行的世界紀(jì)錄。其中2012年實(shí)現(xiàn)411秒2000萬攝氏度高參數(shù)偏濾器等離子體和30秒高約束等離子體運(yùn)行；2016年實(shí)現(xiàn)電子溫度超過5000萬攝氏度持續(xù)時(shí)間102秒的超高溫長脈沖等離子體運(yùn)行，以及獲得超過60秒的穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行；2017年實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行，EAST由此成為世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到百秒量級的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置；2018年實(shí)現(xiàn)了1億攝氏度的等離子體運(yùn)行。

這一系列里程碑性質(zhì)的重要突破以及世界紀(jì)錄表明，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走在國際前列。EAST的成功建設(shè)和運(yùn)行被認(rèn)為“是世界聚變工程的非凡業(yè)績，是世界聚變能開發(fā)的杰出成就和重要里程碑”，“EAST已成為國際磁約束聚變裝置中最前沿的，以及未來五年世界上最有能力實(shí)現(xiàn)400秒長脈沖高性能等離子體研究的聚變裝置”。

EAST項(xiàng)目的成功還促使等離子體所成為ITER（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）計(jì)劃中國工作組最重要的單位之一。由歐盟、美、日、俄、中、韓、印七方共同承擔(dān)的ITER計(jì)劃是當(dāng)今世界最大的多邊國際科技合作項(xiàng)目之一。等離子體所承擔(dān)了ITER中國采購包74%重要部件的研制任務(wù)。EAST團(tuán)隊(duì)推翻了原ITER電源和饋線的部分設(shè)計(jì)方案并修正提出了被國際專家組認(rèn)為合理可行的新設(shè)計(jì)方案，消除ITER運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)并促使中方ITER份額大幅度提高。等離子體所承擔(dān)的ITER任務(wù)100%國產(chǎn)化并以優(yōu)異性能指標(biāo)通過國際評估，產(chǎn)品質(zhì)量100%滿足ITER要求，進(jìn)度在七方參與國家中居前列，創(chuàng)造多項(xiàng)第一。

EAST團(tuán)隊(duì)在承擔(dān)國家大科學(xué)工程項(xiàng)目和參加ITER計(jì)劃過程中，堅(jiān)持中國制造和中國創(chuàng)造，自主發(fā)展了超導(dǎo)、電源、低溫、加熱、材料等關(guān)鍵聚變工程技術(shù)，在工業(yè)界得到推廣應(yīng)用并促進(jìn)國內(nèi)高新技術(shù)企業(yè)的蓬勃發(fā)展。同時(shí)自主發(fā)展的若干關(guān)鍵聚變工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)向歐美發(fā)達(dá)國家技術(shù)輸出。如近5年來為德國ToreSupra裝置設(shè)計(jì)加工離子回旋天線，向俄羅斯聯(lián)合核子研究所NICA大裝置提供高溫超導(dǎo)電流引線，為法國原子能委員會WEST聚變裝置研造離子回旋加熱天線，為美國普林斯頓大學(xué)設(shè)計(jì)制造磁重聯(lián)空間物理裝置核心部件，為美國能源部設(shè)計(jì)制造整套超導(dǎo)饋線系統(tǒng)等，提升了我國聚變工程技術(shù)的國際競爭力。

CFETR：讓核聚變能點(diǎn)亮世界第一盞燈

以獲取聚變能源為目標(biāo)的中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）設(shè)計(jì)與建設(shè)是我國聚變能研發(fā)必不可少的一環(huán)。等離子體所在參與ITER計(jì)劃的同時(shí)，提出規(guī)劃建設(shè)CFETR。等離子體所聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)單位在科技部支持下已經(jīng)完成 CFETR總體設(shè)計(jì)方案并通過國際專家組評估，而且已經(jīng)在CFETR設(shè)計(jì)方案的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)和關(guān)鍵等離子體參數(shù)、主機(jī)系統(tǒng)和內(nèi)部部件、包層/第一壁技術(shù)、遠(yuǎn)程操作方案、先進(jìn)偏濾器位形、輔助加熱系統(tǒng)等方面開展相關(guān)預(yù)研并取得進(jìn)展。

EAST作為合肥地區(qū)現(xiàn)有的三個(gè)“大科學(xué)裝置”之一（另兩個(gè)為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場、同步輻射），立足核聚變工程技術(shù)和物理實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，全面參與合肥綜合性國家科學(xué)中心建設(shè)，開展并推動CFETR項(xiàng)目預(yù)研的實(shí)質(zhì)性工作，希望建成我國自己的聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，推動聚變能應(yīng)用。在開發(fā)核聚變能的路上，中國已從“追趕者”到“并跑者”，再到如今成長為具備國際技術(shù)輸出能力的“領(lǐng)跑者”。等離子體所一代又一代的科學(xué)家們數(shù)十年如一日，堅(jiān)守人類的能源夢想，并為之奮斗不息，期待著核聚變能的第一盞燈首先在中國被點(diǎn)亮。