讓“人造太陽”從東方升起

中國“人造太陽”核心部件示意圖 （百度網）

讓5000萬攝氏度等離子體穩定持續燃燒100.12秒。這是中國超導托卡馬克實驗裝置在今年7月創造的新紀錄。其重大意義不僅在於實現了超高溫度，而且在於檢驗了對等離子體百秒級高約束運行控制的模式。

中國超導托卡馬克實驗裝置（即Experimental Advanced Superconducting Tokamak，縮寫為EAST，也被稱為“東方超環”）是在真空室內加入少量氫的同位素氘或氚，通過類似變壓器的原理使其産生等離子體，然後提高其密度、溫度使其發生聚變反應，反應過程中會産生巨大能量。其原理在本質上與太陽核聚變相似，因而，“東方超環”也被譽為中國的“人造太陽”。

核聚變的燃料是氘和氚，在自然界的存量近於無限。聚變産生巨量能源時幾乎不會有污染物，也無放射性核廢料，是目前已知的可最終解決人類能源和環境問題的最重要的途徑之一。上世紀30年代，核聚變的原理就被提出來，但是産生可控核聚變需要的條件非常苛刻。我們知道，太陽中心溫度可達1500萬攝氏度，再加上巨大的壓力，使核聚變能夠進行。地球上，人類所能獲得的壓力條件有限，只能通過將溫度提高至上億度來彌補。而如此高的溫度沒有任何一種固體物質能承受，只能靠強大的磁場來約束，由此産生了磁約束核聚變。而産生強大磁場，進行磁約束核聚變的反應設備就是托卡馬克裝置（Tokamak）。其中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候，托卡馬克裝置的內部會産生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。第一代托卡馬克裝置由蘇聯科學家阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明。

上世紀90年代初，中國引入了蘇聯的托卡馬克裝置，對其進行了大幅改進，建成超導裝置HT-7。2003年3月，HT-7獲得超過1分鐘的等離子體放電，最長放電時間達到63.95秒，成為繼法國之後，第二個能産生分鐘量級高溫等離子體放電的托卡馬克裝置。在HT-7基礎上，中國科學家用10年時間，自主設計和建造出世界上首個全超導托卡馬克裝置EAST。EAST裝置的主機部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈等6大部件組成。它集中了超高溫、超低溫、超大電流、超強磁場和超高真空等多項極限。整個項目的國産化率達到90%以上，自研率在70%以上。取得的具有自主知識産權的技術和成果達68項之多。

EAST的建成使中國成為世界上少數幾個擁有這種類型超導托卡馬克裝置的國家，並把中國的磁約束核聚變研究水準大幅推進到世界前沿。建成後，EAST進行了多次成功實驗，並創下多項托卡馬克運行的世界紀錄。2012年，EAST實現30秒高約束等離子體放電。2013年1月，EAST又獲重大實驗成果，其輔助加熱工程的中性束注入系統（NBI）在綜合測試平臺上成功實現100秒長脈衝氫中性束引出，初步驗證了系統的長脈衝運行能力。2016年，EAST獲得60秒完全非感應電流驅動（穩態）高約束模等離子體。接下來就是今年7月取得的驕人成就。

中國在大力推進自身托卡馬克裝置研製和實驗的同時，積極參與國際熱核聚變實驗堆ITER計劃。該計劃是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，其目標是在和平利用聚變能的基礎上，探索聚變在科學和工程技術上的可行性。根據相關協議，為ITER計劃提供部件是中國參與的重要方式。

2013年8月，我國研製生産出大電流高溫超導直流電纜，這是向國際熱核聚變實驗堆供貨的超導電纜，2016月4月，中國承擔生産和設計的首個超大部件——脈衝高壓變電站（PPEN）首臺主變壓器，運往ITER設施的建造地法國。2016年12月，由中核集團西南物理研究院自主研發製造的國際熱核聚變核心部件——超熱負荷第一壁原型件在國際上率先通過權威機構認證，這是中國對國際熱核聚變項目的又一重大貢獻。目前，中國在ITER的7方採購包進度中，已經上升為第一位。在核聚變領域，中國人扮演的再也不是可有可無的“小角色”。通過參與國際熱核聚變實驗堆ITER計劃，中國也進一步提升了自己的設備製造能力，鍛鍊和培養了一批專才。

1億攝氏度，1000秒，這是中國科學家和“東方超環”EAST追求的目標。因為只有將氘、氚的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度，並至少持續1000秒，才能形成持續反應，核聚變才能為人類所利用。

在積極推進EAST實驗的同時，中國已瞄準下一個奮鬥目標：設計建設自己的下一代核聚變裝置。2011年，中國聚變工程實驗堆（CFETR）開始了設計研究。在過去的幾年裏，項目集中了中國磁約束聚變研究的骨幹力量，形成實力強大的國家隊，努力消化ITER和國際磁約束聚變堆設計和技術，並進行大膽創新。2015年8月，中國圓滿完成了聚變工程實驗堆概念設計。據悉，目前相關裝置已完成設計研究並開始了工程化設計。可以期待的是，中國將在人類開發清潔而又無限的核聚變能源領域作出新的探索和實踐，為“人造太陽”的早日升起作出突出貢獻。