我們要在沒(méi)有任何經(jīng)驗可借鑒的情況下，造出一個(gè)需要同時(shí)承載大電流、強磁場(chǎng)、超高溫、超低溫、高真空、高絕緣等復雜環(huán)境的裝置，這對工藝設計和材料提出了極高的要求。
宋云濤 中科院等離子體物理研究所所長(cháng)
有“人造太陽(yáng)”之稱(chēng)的全超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置5月28日取得新突破，成功實(shí)現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，創(chuàng )造托卡馬克實(shí)驗裝置運行新的世界紀錄。
地球萬(wàn)物生長(cháng)所依賴(lài)的光和熱，源于太陽(yáng)核聚變反應后釋放的能量。而支撐這種聚變反應的燃料氘，在地球上的儲量極其豐富，足夠人類(lèi)利用上百億年。
如果利用氘制造一個(gè)“人造太陽(yáng)”來(lái)發(fā)電，人類(lèi)就能夠徹底實(shí)現能源自由。曾經(jīng)童謠里唱的“種太陽(yáng)”，正被人類(lèi)一點(diǎn)點(diǎn)變成現實(shí)。
用羽絨服、牛仔褲換來(lái)托卡馬克
制造“人造太陽(yáng)”面臨一個(gè)突出的現實(shí)問(wèn)題：用什么容器來(lái)承載核聚變?要在地球上利用核聚變能量，在人工控制條件下等離子體的離子溫度需達到1億攝氏度以上。而目前地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度是3000多攝氏度。這意味著(zhù)，找不到盛裝如此高溫等離子體的容器。
從20世紀50年代開(kāi)始，我國與國際基本同步，開(kāi)始了在可控核聚變領(lǐng)域的研究，并于1965年在四川樂(lè )山建成了我國核聚變研究基地——西南物理研究所(今中核集團核工業(yè)西南物理研究院)。當時(shí)，國際上不同的技術(shù)路線(xiàn)此消彼長(cháng)，最終蘇聯(lián)科學(xué)家提出的托卡馬克方案異軍突起，國際核聚變界的重點(diǎn)研究方向隨之轉向了托卡馬克。
20世紀70年代，國家擬在合肥建造一個(gè)當時(shí)世界先進(jìn)水平的大型熱核反應實(shí)驗裝置。選擇合肥的一個(gè)重要原因，是中科院電工所已于20世紀60年代在合肥建成一個(gè)儲能達到2×108焦耳的大型儲能電感裝置(又稱(chēng)為“八號電感”)。此電感裝置能為熱核聚變裝置的強大脈沖電源提供重要支持。當時(shí)策劃中的托卡馬克實(shí)驗裝置就被命名為“八號裝置”，向國家申請立項的大科學(xué)工程項目就被稱(chēng)為“八號工程”。
20世紀90年代，我國用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換了蘇聯(lián)價(jià)值1800萬(wàn)盧布的T-7的半超導托卡馬克裝置。當時(shí)，經(jīng)濟情況非常困難，我國科研人員只能依靠自己的力量，對T-7及其低溫系統進(jìn)行了根本性改造。
通過(guò)科研人員的不懈努力，先后建成常規磁體托卡馬克HT-6B、HT-6M等實(shí)驗裝置。1994年，我國第一個(gè)圓截面超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置“合肥超環(huán)”(HT-7)研制成功，使我國成為繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有超導托卡馬克裝置的國家，也是我國建成并投入運行的首個(gè)超導托卡馬克裝置。
1997年11月17日，中國科學(xué)院在合肥召開(kāi)HT-7超導托卡馬克裝置鑒定會(huì )，鑒定委員會(huì )對建設HT-7裝置的決策和工程設計研制及兩年多的運行實(shí)驗情況給予高度評價(jià)。
HT-7超導托卡馬克裝置與我國年輕的聚變人一起走過(guò)了17個(gè)春秋，這期間完成了第10萬(wàn)次放電。
2013年5月，HT-7正式被中國科學(xué)院和原環(huán)保部批準退役，成為我國首個(gè)獲批退役的大科學(xué)工程裝置。HT-7是一個(gè)傳奇、一段歷史，也是中國磁約束聚變研究走向世界前沿的見(jiàn)證。
邊設計、邊研發(fā)，“人造太陽(yáng)”在中國點(diǎn)亮
1998年7月，國家“九五”重大科學(xué)工程“HT-7U超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置”(即“全超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置”，以下簡(jiǎn)稱(chēng)EAST)正式立項。2000年10月，EAST正式開(kāi)工建設。
“EAST最大的創(chuàng )新點(diǎn)，是把全超導和非圓截面結合起來(lái)，產(chǎn)生穩態(tài)和以先進(jìn)模式運行的等離子體，使研究人員能在穩態(tài)條件下對約束改善、破裂控制、粒子輸運、能量平衡、功能材料和雜質(zhì)控制等實(shí)現聚變堆穩態(tài)運行所必須面對的重大物理問(wèn)題進(jìn)行深入研究。” 在當時(shí)的EAST大科學(xué)工程團隊的領(lǐng)軍人物萬(wàn)元熙院士看來(lái)，物理上的先進(jìn)性，必將帶來(lái)工程上的巨大挑戰。
在20世紀90年代末，中國聚變工程技術(shù)和超導工業(yè)十分薄弱，沒(méi)有研制大型超導磁體、大型低溫系統的經(jīng)歷，國際上尚沒(méi)有任何一個(gè)國家研制和建造過(guò)全超導托卡馬克裝置。
萬(wàn)元熙院士帶領(lǐng)團隊發(fā)揚“沒(méi)有條件創(chuàng )造條件也要上”的精神，在簡(jiǎn)陋的實(shí)驗室內成功制造出關(guān)鍵部件和設備，整個(gè)項目自研率達90%以上。
“我們要在沒(méi)有任何經(jīng)驗可借鑒的情況下，造出一個(gè)需要同時(shí)承載大電流、強磁場(chǎng)、超高溫、超低溫、高真空、高絕緣等復雜環(huán)境的裝置，這對工藝設計和材料提出了極高的要求，比如芯部的等離子體溫度高達一億攝氏度，線(xiàn)圈中的溫度卻要求達到零下269攝氏度，項目難度可見(jiàn)一斑。”中科院等離子體物理研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)等離子所)所長(cháng)宋云濤告訴科技日報記者，為了達到聚變實(shí)驗裝置所要求的條件，EAST團隊的科學(xué)工作者自主創(chuàng )新，自主設計、研發(fā)了大部分具有我國自主知識產(chǎn)權的關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng )造性地完成了EAST裝置主機的總體工程設計。
研制EAST過(guò)程中，許多關(guān)鍵技術(shù)取得突破并達到國際先進(jìn)水平，同時(shí)也填補了多項國內空白：大型超導磁體關(guān)鍵制造技術(shù)的研發(fā)，成功地生產(chǎn)出了EAST所需的全部超導磁體;創(chuàng )造性地設計、建成了國內最大的大型超導磁體測試實(shí)驗系統;創(chuàng )新性地設計、建造了我國最大的氦低溫系統，制冷能力超過(guò)2kW/4.5K……
“EAST裝置建設，瞄準世界前沿，高標準、嚴要求地完成了國家大科學(xué)工程建設任務(wù)。同時(shí)，嚴格質(zhì)量管理，創(chuàng )新性地建立和運行EAST質(zhì)量管理體系。”宋云濤說(shuō)。
到2005年底，EAST完成了主機總裝以及各分系統的研制和安裝工作。2006年3月，成功進(jìn)行了首次工程調試。2006年9月26日，EAST首輪物理實(shí)驗成功獲得高溫等離子體。
歷經(jīng)8年艱苦奮斗和自主創(chuàng )新，世界上新一代全超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置在中國率先建成并正式投入運行，為未來(lái)清潔能源的利用和發(fā)展提供實(shí)驗研究平臺。2006年1月，EAST實(shí)現電子溫度超過(guò)5000萬(wàn)攝氏度，兩年后又實(shí)現電子溫度1億攝氏度等離子體運行，而太陽(yáng)核心的溫度也不過(guò)1500萬(wàn)攝氏度。EAST性能逐步提升。2006年，首次等離子體放電成功，時(shí)長(cháng)僅僅3秒;2017年7月，實(shí)現了穩定的101.2秒穩態(tài)長(cháng)脈沖高約束等離子體運行，創(chuàng )造了新的世界紀錄。
2007年3月1日，國家發(fā)改委組織專(zhuān)家對EAST進(jìn)行竣工驗收。專(zhuān)家們認為，中國科研人員在國際上尚無(wú)全超導托卡馬克的情況下，邊建設、邊研發(fā)，解決了大型超導磁體、大規模低溫制冷等一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，自主設計、加工制造了關(guān)鍵部件，形成了一系列高新技術(shù)成果。時(shí)任國家發(fā)改委副主任張曉強在驗收會(huì )上指出：EAST大科學(xué)工程全面、優(yōu)質(zhì)地完成建設任務(wù)，是我國科技界的一件大事，是中華民族值得驕傲的成就。
從“科學(xué)島”到“世界聚變舞臺的中心”
在安徽省會(huì )合肥市西郊，有一座面積不到3平方公里、三面環(huán)水的半島。這里就是中國核聚變最重要的研究基地——等離子所所在地。EAST也棲身于此。
走進(jìn)EAST大廳，看到的是一片緊張有序的場(chǎng)景，本年度的等離子體物理實(shí)驗即將開(kāi)啟，劍指新的世界紀錄。
在對受控熱核聚變探索過(guò)程中，越來(lái)越多國家的科研人員認識到，“人造太陽(yáng)”科學(xué)裝置規模大、建設周期長(cháng)、投資成本高，任何一個(gè)國家“關(guān)起門(mén)來(lái)搞建設”都無(wú)法解決所有難題，必須“聚四海之氣、借八方之力”。
1985年，美蘇首腦為此提出了國際熱核聚變實(shí)驗堆(ITER)計劃。但在2001年之前，這個(gè)“俱樂(lè )部”一直將我國拒之門(mén)外，其中主要原因是我國的科研水平還不高。但隨著(zhù)EAST研制工作推進(jìn)，這個(gè)局面逐漸改變。
2001年，由于美國退出，ITER成員國出于分攤經(jīng)費的考慮，希望擴大參與國的范圍。我國借此再次申請加入，2003年，正式以“平等伙伴”身份加入了ITER計劃談判——加入這個(gè)高“入門(mén)會(huì )費”的俱樂(lè )部，每個(gè)成員國要至少承諾10%的投入，約合人民幣100億元。
“加入ITER計劃前，國際主流聚變會(huì )議上，幾乎沒(méi)有我們的聲音。如今，越來(lái)越多我國學(xué)者獲邀在大會(huì )作主題報告、口頭報告，甚至擔任會(huì )議主席。”宋云濤說(shuō)，加入ITER計劃后，我國逐漸走向世界聚變舞臺的中心。
國際聚變能大會(huì )，是核聚變領(lǐng)域的奧林匹克。像宋云濤這樣的我國學(xué)者，曾經(jīng)是無(wú)緣進(jìn)場(chǎng)的。而今，等離子體所已連續10年被大會(huì )特邀作主題報告;這一領(lǐng)域的國際頂級雜志，連續多年都以封面故事形式介紹等離子體所年度研究工作。越來(lái)越多雙眼睛在關(guān)注這顆來(lái)自“島”上的“太陽(yáng)”。位于法國的ITER總部也正期待著(zhù)中國“小太陽(yáng)”帶來(lái)更多光和熱，把“人造太陽(yáng)”從夢(mèng)想變?yōu)楝F實(shí)。
借助我國首個(gè)偏濾器位型的核聚變實(shí)驗裝置(HL-2A)和EAST這兩個(gè)大科學(xué)裝置，我國與全球120多個(gè)聚變研究機構建立了合作。每年平均有500人次國際專(zhuān)家訪(fǎng)問(wèn)我國，開(kāi)展與我國相關(guān)聚變研究機構的合作研究。
回顧過(guò)去，人類(lèi)認識核聚變的路已經(jīng)走了很久。有人問(wèn)：“在我們的有生之年，能不能看到一個(gè)真正的‘人造太陽(yáng)’?”
中國工程院院士李建剛坦言，要將成果真正投入商用、變成每家每戶(hù)可以用的電，可能至少還需要幾十年，但他堅信：“在我的有生之年，一定有一盞燈能被聚變之能點(diǎn)亮。這一盞燈，一定要，也只能在中國。”
