在“夸父”設(shè)施園區(qū)，有數(shù)座單體建筑（科研廠房），它們都是聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)的子系統(tǒng)，每個(gè)科研廠房里都有多個(gè)系統(tǒng)正在建設(shè)和運(yùn)行。
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(tái)超導(dǎo)托卡馬克。
圖為世界上首臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克裝置EAST東方超環(huán)，EAST的國產(chǎn)化率超95%，關(guān)鍵設(shè)備、材料實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)。
2006年10月16日，國家重大科學(xué)工程EAST項(xiàng)目總經(jīng)理萬元熙在第21屆世界聚變能大會(huì)上作首個(gè)邀請報(bào)告，題為《EAST項(xiàng)目進(jìn)展概況及未來規(guī)劃》。
9月末的一個(gè)清晨，安徽省合肥市未來大科學(xué)城中國科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院等離子體物理研究所（下稱“等離子體所”）下起了小雨。初秋的降溫給這座研究所帶來了絲絲涼意。而在研究所里，研究人員仍保持著熱情的工作狀態(tài)。在巨大的控制室內(nèi)，各國科學(xué)家正認(rèn)真地盯著面前3層樓高的大屏幕，屏幕上顯示著全超導(dǎo)托卡馬克裝置EAST東方超環(huán)（以下簡稱EAST）的實(shí)施運(yùn)行情況。在屏幕下方，EAST運(yùn)行總負(fù)責(zé)人龔先祖正在進(jìn)行一次新的實(shí)驗(yàn)。
龔先祖正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，是磁約束可控核聚變的等離子體放電實(shí)驗(yàn)。為了解決當(dāng)今世界面臨的能源問題，參照太陽的核聚變反應(yīng)，各國科學(xué)家從20世紀(jì)起就開始探索一種可能——利用地球上儲(chǔ)量極其豐富的氘，在地球上建造一個(gè)“太陽”，為人類持續(xù)供應(yīng)清潔能源。
在中國，這項(xiàng)“逐日”工作，已經(jīng)持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)。歷經(jīng)4代科研工作者、40萬余次實(shí)驗(yàn)、10余次創(chuàng)造世界紀(jì)錄……中國在自主設(shè)計(jì)、自主建造的磁約束可控核聚變裝置的研發(fā)之路上已經(jīng)走了很遠(yuǎn)。近日，本報(bào)記者走進(jìn)位于合肥未來大科學(xué)城里的等離子體所，實(shí)地探訪這里的“夸父”科學(xué)家們“逐日”的新故事。
“讓‘小太陽’懸浮在‘大冰箱’里”
在EAST控制室里，記者看到，龔先祖正準(zhǔn)備用鼠標(biāo)啟動(dòng)一次等離子體放電。等離子體本身位于控制室的監(jiān)視器墻后面，被封閉在一個(gè)裝置真空室內(nèi)。
每天，龔先祖和他的同事們從早到晚要進(jìn)行約100次等離子體的放電實(shí)驗(yàn)。“每一次的放電實(shí)驗(yàn)都是向?qū)崿F(xiàn)可控核聚變邁出的必要一步。”龔先祖說。
“可以解釋一下可控核聚變的技術(shù)原理嗎？”記者問。
“核聚變的基本原理是，兩個(gè)較輕的核融合在一起形成一個(gè)較重的核，這一過程會(huì)爆發(fā)出強(qiáng)大的能量。比如，氫的同位素氘和氚融合反應(yīng)過程當(dāng)中，就產(chǎn)生了核聚變。恒星產(chǎn)生能量的主要方式，就是核聚變。”等離子體所科普主管蔡其敏對本報(bào)記者說，“核聚變需要上億攝氏度的高溫才能實(shí)現(xiàn)，地球上找不到能夠承受這么高溫度的材料?？蒲腥藛T后來發(fā)現(xiàn)，用強(qiáng)磁場可以把高溫等離子體束縛在一定的空間范圍內(nèi)，這就是磁約束。”
EAST是一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。它的建設(shè)，是為了實(shí)現(xiàn)三大科學(xué)目標(biāo)：電流1兆安、溫度1億攝氏度、運(yùn)行維持1000秒。
托卡馬克裝置是一種環(huán)形聚變裝置，用來約束帶電的高溫等離子體。“科幻電影《流浪地球》里推著地球往前走的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，就是核聚變裝置。”龔先祖說，“托卡馬克裝置利用磁場來約束加熱后的等離子體環(huán)——一種包含離子和電子的流體狀物質(zhì)狀態(tài)，其溫度比太陽核心還要高。等離子體維持的時(shí)間越長，就可以獲得越多的聚變能源，這就是托卡馬克的運(yùn)行原理。”
“我們要維持穩(wěn)定的磁場約束高溫等離子體，需要給磁體通大電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場。EAST的磁場強(qiáng)度要比地球的磁場強(qiáng)度高1萬多倍，這對能源的消耗極大，”中國工程院院士、等離子體物理學(xué)家李建剛說，“為了使這一部分能量消耗減少，我們得讓磁體超導(dǎo)。”
在EAST內(nèi)部有30個(gè)超導(dǎo)線圈。在極低溫條件下，這些超導(dǎo)線圈具有零電阻效應(yīng)，通大電流可以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的約束磁場并且不會(huì)產(chǎn)生熱量，使高溫等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行成為可能。
超導(dǎo)對溫度的要求極高，零下269攝氏度是它的標(biāo)準(zhǔn)溫度。李建剛說，“聚變能就是一個(gè)‘小太陽’，我們要做的是讓這個(gè)1億攝氏度的‘小太陽’懸浮在一個(gè)零下269攝氏度的‘大冰箱’里，這件事情在我們之前全世界都沒有做過。”
為建成EAST，等離子體所的科研團(tuán)隊(duì)花了6年多的時(shí)間，從開工到建設(shè)，發(fā)展了68項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其中有大型的超導(dǎo)技術(shù)、精準(zhǔn)控制技術(shù)、加熱技術(shù)、真空技術(shù)、射頻技術(shù)、電源技術(shù)、低溫技術(shù)等。“所有關(guān)鍵技術(shù)都是我們自己研發(fā)的。”李建剛說。
“2006年的9月16日EAST獲得了第一次等離子體。”李建剛說，“當(dāng)年我們EAST項(xiàng)目總經(jīng)理萬元熙在世界原子能聚變大會(huì)上作報(bào)告，全場起立為中國的成就鼓掌。在那一刻，作為一個(gè)中國人我覺得非常自豪。”
2023年4月12日晚9點(diǎn)左右，EAST在第122254次實(shí)驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了403秒穩(wěn)態(tài)長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。
“這樣的紀(jì)錄意味著，可控核聚變正一步步邁向商業(yè)化應(yīng)用。”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，“我們已經(jīng)看到了可控核聚變實(shí)現(xiàn)的曙光。”
為下一代“人造太陽”研制“發(fā)動(dòng)機(jī)”
中國的“人造太陽”究竟什么時(shí)候能走出實(shí)驗(yàn)室？
簡單地說，要滿足兩個(gè)條件。一是穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間足夠長，這樣才能持續(xù)釋放聚變能量。二是產(chǎn)出的能量大于消耗的能量，這樣才有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。等離子體所副所長陸坤告訴本報(bào)記者，從穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長來看，目前還有很大提升空間。
陸坤說：“大家追求的肯定是一整天或者是很多天的連續(xù)運(yùn)行，但科學(xué)是一步一步往前走的。接下來我們要沖擊1000秒，或者是更長的時(shí)間。”
提升核聚變裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長的難點(diǎn)在哪？對于中國采取的磁約束路線來說，主要在于材料。陸坤說，盡管EAST裝置本身并不直接接觸高溫等離子體，但仍然容易被逃逸的粒子損傷。
陸坤表示：“參數(shù)高了，這些高能粒子肯定會(huì)逃逸。一些逃逸的高能粒子可能會(huì)打到一些部件上，如果時(shí)間長了，部件會(huì)有損傷?；诓牧系牟粩喟l(fā)展，還有我們運(yùn)行控制能力的增強(qiáng)，包括從結(jié)構(gòu)上看是否還有更優(yōu)化的地方，能夠讓其承受更高的熱負(fù)荷，在這幾個(gè)方面要一起努力。”
而從產(chǎn)出能量大于消耗能量的角度看，托卡馬克裝置內(nèi)發(fā)生聚變反應(yīng)要有功率巨大的輔助加熱系統(tǒng)，這就要消耗能量。而聚變開始后，會(huì)產(chǎn)生能量，這兩者的比值叫作Q值，也就是聚變增益。Q值大于1，代表產(chǎn)出能量大于消耗能量，也就是凈產(chǎn)出。不過，目前全球托卡馬克裝置的Q值很少達(dá)到1。
陸坤說：“只要Q值大于1就可以嘗試著去發(fā)電了。我們最終追求的目標(biāo)是Q值大于30，這樣會(huì)更有經(jīng)濟(jì)性，大家才能用得起。我們要探索的就是在時(shí)間尺度上能夠去穩(wěn)定地維持高參數(shù)的等離子體，為后續(xù)新的裝置提供核心的技術(shù)支撐。”
要造出真正有實(shí)用價(jià)值的“人造太陽”，還得跨越從實(shí)驗(yàn)裝置到實(shí)驗(yàn)堆、工程堆、示范堆、商業(yè)電站的多個(gè)階段，需要研制一代代科技含量更高的“人造太陽”。
為下一代“人造太陽”研制“發(fā)動(dòng)機(jī)”，“夸父”的使命艱巨。
“夸父”的學(xué)名為“聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施（CRAFT）”，是國家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，2018年12月獲批開工建設(shè)。
走進(jìn)聚變堆園區(qū)11號(hào)科研廠房，記者看到了那片巨大的中空“扇瓣”，就是CRAFT部分部件的雛形。
“它是‘夸父’的核心部件1/8真空室及總體安裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。”蔡其敏告訴記者，8個(gè)“扇瓣”將組成一個(gè)“大橘子”，成為未來“人造太陽”的重要組成部分，相當(dāng)于一個(gè)鍋爐，能夠?yàn)樯蟽|攝氏度的等離子體運(yùn)行提供高質(zhì)量的真空環(huán)境。
在“夸父”設(shè)施園區(qū)，有14座單體建筑（科研廠房），它們都是聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)的子系統(tǒng)，每個(gè)科研廠房里面都有多個(gè)系統(tǒng)正在建設(shè)和運(yùn)行，有的系統(tǒng)已經(jīng)初步建成，正在進(jìn)行整體的聯(lián)調(diào)和測試，有的還在加緊研制過程中。在這些裝置上，將開展一系列關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研，為未來中國建造真正能實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電的“聚變堆”提供核心技術(shù)基礎(chǔ)和研究平臺(tái)。
在寬闊的廠房里，來自170余家國內(nèi)外合作單位的1000多名建設(shè)者正奮力攻關(guān)一系列科研與工程技術(shù)難題，力爭實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)——國際上時(shí)間最長的百秒量級(jí)強(qiáng)流負(fù)離子束引出，運(yùn)行溫度最高、研究功能最完備的鋰鉛實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，規(guī)模最大的Nb3Sn線圈熱處理系統(tǒng)……
宋云濤說，基于幾代人的持續(xù)學(xué)習(xí)、研究、創(chuàng)造，EAST的國產(chǎn)化率超95%，關(guān)鍵設(shè)備、材料實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，而“夸父”的國產(chǎn)化率將提升到100%。
目前，“夸父”主體工程已完成116項(xiàng)關(guān)鍵里程碑當(dāng)中的70余項(xiàng)，項(xiàng)目從子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)測試階段進(jìn)入關(guān)鍵部件的研制和現(xiàn)場集成及調(diào)試階段，總體進(jìn)度已超70%，預(yù)計(jì)“夸父”將在2025年底建成。
2024年8月28日，科學(xué)雜志《自然》（Nature）期刊發(fā)表了題為《聚焦中國如何在核聚變的賽道上領(lǐng)先世界》（“Inside China's race to lead the world in nuclear fusion”）的新聞特寫報(bào)道，深入探討了等離子體物理研究所和中國在核聚變領(lǐng)域的發(fā)展成就和未來的發(fā)展規(guī)劃前景以及在全球范圍內(nèi)的合作競爭態(tài)勢。文章詳細(xì)介紹了EAST、CRAFT、ITER及中國在磁約束聚變科學(xué)研究和工程技術(shù)研發(fā)方面的進(jìn)展，以及國家層面的支持和發(fā)展。
文章對中國的核聚變技術(shù)發(fā)展表示贊嘆：“中國在核聚變研究方面的優(yōu)勢在于其在開發(fā)建造反應(yīng)堆所需的材料、部件和診斷系統(tǒng)方面的速度和專注度。中國對建設(shè)核聚變技術(shù)人員隊(duì)伍的重視也使該國在人才方面具有優(yōu)勢。”文章援引麻省理工學(xué)院核科學(xué)家丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）的話稱：“在可控核聚變領(lǐng)域，中國已經(jīng)從幾十年前的無名小卒成長為擁有世界一流能力的人。”
“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(shí)踐的第一步。”李建剛說，“我相信中國聚變?nèi)艘欢〞?huì)與世界各地的同行一起，讓可控核聚變最終成為現(xiàn)實(shí)。”
（本版圖片均為等離子體所供圖）
