點亮聚變的“第一盞燈”

 

聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施1/8真空室及總體安裝實驗平臺。記者 楊俊峰攝

 

 

4月12日，世界首個全超導托卡馬克東方超環（EAST）裝置在第122254次實驗中成功實現了403秒穩態長脈衝高約束模式等離子體運行。圖為科研人員正在進行實驗。資料圖片

 

在中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所（下稱“等離子體所”）一間宏偉的實驗車間內，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實。巨畫的正前方，佇立著一座15米高的可控核聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施1/8真空室及總體安裝實驗平臺。

 

50多年來，等離子體所“人造太陽”研究團隊不斷衝破極限，為“人造太陽”注入一縷縷光芒，讓聚變能的“第一盞燈”在中國點亮。

 

403秒的新紀錄

 

●“我們看到了核聚變實現的曙光”

 

“20時52分按下啟動鍵、21時實驗成功，這個時間我記得非常清楚，一輩子都忘不掉。”在等離子體所，講解員蔡其敏講述了那個足以載入史冊的時刻。

 

4月12日21時，正在運行的中國大科學裝置“人造太陽”、世界首個全超導托卡馬克東方超環（EAST）裝置取得重大成果，在第122254次實驗中成功實現了403秒穩態長脈衝高約束模式等離子體運行，創造了托卡馬克裝置高約束模式運行新的世界紀錄。

 

“當時我們的心情都很激動。”蔡其敏説，“我在第一時間就給萬元熙院士發去了信息。”

 

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

 

“萬老師，EAST實現了403秒的H模等離子體運行！”

 

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於‘高約束模式’。”中國科學院合肥物質科學研究院副院長、等離子體所所長宋雲濤説，托卡馬克裝置等離子體運行模式可以分為H高約束模式、L低約束模式以及超級I模式等。在高約束模式下，粒子的溫度、密度大幅提升。長時間高約束模式運行為實現可控核聚變奠定堅實的物理基礎。此前的高約束模式運行世界紀錄是EAST于2017年創造的101.2秒，這也讓EAST成為世界上第一個實現穩定高約束達到百秒量級的托卡馬克裝置。

 

為什麼是400秒，而不是300秒或者500秒？“這和目前正在建設的全世界最大的國際熱核聚變實驗堆（ITER）有關。”蔡其敏説。

 

ITER裝置是一個能産生大規模核聚變反應的超導托卡馬克。2006年5月，經國務院批准，中國ITER談判聯合小組代表中國政府與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了ITER計劃協定。協定方包括了全世界主要的核國家和主要的亞洲國家，覆蓋的人口接近全球一半。在這一國際合作項目中，中國承擔了約9%的採購包研發任務，實現了向歐美發達國家的技術輸出，讓“中國設計”應用於國際大科學工程。

 

蔡其敏説：“ITER預計2030年後正式運行，其目標之一就是500WM聚變功率，高約束模式下維持時間超過400秒。”

 

此次EAST裝置取得的重大創新成果，為ITER的運行和中國自主建設運行聚變堆提供了重要的實驗基礎。

 

“我們已經看到了核聚變實現的曙光。”蔡其敏説。

 

50多年的逐日之路

 

●“中國人要率先實現聚變能發電”

 

模擬太陽産生能量的原理，在地球上建造可控並持續反應的核聚變裝置——“人造太陽”是人類的能源夢想。為此，中國科學家已為此奮鬥了50多年。

 

1965年，四川樂山郊區建起了一個專業從事核聚變能源開發的研究機構——二機部585所，即現在的核工業西南物理研究院。中國聚變人從此踏上了研發“人造太陽”的逐夢之旅。

 

1978年9月20日，位於安徽合肥蜀山湖畔的等離子體所正式批復建立。上世紀90年代初，等離子體所將已停機的蘇聯托卡馬克裝置T-7引入國內進行改造。1994年12月，由T-7改造成的超導托卡馬克裝置HT-7首次獲得等離子體，成為中國第一台超導托卡馬克。

 

在此基礎上，等離子體所的科學家又提出了新的升級改造計劃——“HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設”計劃。項目于2003年10月更名為EAST，中文名為“東方超環”。

 

2000年9月，EAST正式動工，2006年9月26日，EAST第一次放電成功。

 

EAST是世界上首臺全超導托卡馬克裝置，其內部30個超導線圈在極低溫條件下具有零電阻效應，可以産生穩態的約束磁場，使高溫等離子體穩態運行成為可能。

 

在EAST高11米、直徑8米的主機中，集成了超高溫（億攝氏度等離子體）、超低溫（-269攝氏度超導線圈）、超高真空（大氣壓的千億分之一）、超強磁場（地磁場的數萬倍）、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年的時間，建成世界首個全超導托卡馬克裝置。其後又花了15年的時間，先後實現了1兆安、1億度和1000秒三大科學目標。”中國工程院院士、等離子體物理學家李建剛説，“東方超環是由中國科學家和工程技術人員設計70%的關鍵設備、關鍵儀器，整個裝置的國産化率達到了90%。”

 

從等離子體所創始人陳春先，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下，EAST大科學工程團隊攻堅克難，堅持耕耘在“人造太陽”這條漫長而又艱辛的道路上。

 

目前，下一代“人造太陽”中國聚變工程實驗堆已完成工程設計，未來中國將瞄準建設世界首個聚變示範堆。

 

“我們給自己定了一個目標——中國人要率先實現聚變能發電。”蔡其敏説。

 

700多位專家的掌聲

 

●“把聚變研究變成工程實踐的第一步”

 

2006年10月，中國聚變人迎來高光時刻。

 

當時，國際聚變能大會在四川省成都市舉行，萬元熙在開幕式上第一個作報告，題為《EAST項目進展概況及未來規劃》。按慣例，開場報告一般都是由世界上最先進的聚變研究所來作。

 

報告結束後，現場科學家熱烈提問。第二個站起來的是美國教授戈登斯通。以往，戈登斯通參加國際大會都會提出非常尖銳的問題，但他卻站起來説：“我建議全體起立，為中國的EAST熱烈鼓掌祝賀！”

 

在國際聚變能大會上，700多位與會代表為某項科研成就熱烈鼓掌，這是從未有過的場景。EAST大科學工程團隊憑藉過硬的實力，走向世界聚變舞臺的中央。

 

如今，EAST成為國際磁約束聚變裝置中最前沿的國際開放平臺之一。今年5月6日，磁約束聚變能研究開放創新試點在安徽省合肥市正式啟動，這是中科院啟動的首個開放創新試點領域。中國科學家正依託EAST這一國際一流聚變研究共享基礎設施，攜手全球科學家創新開展覆蓋全球時區的EAST“三班制”物理實驗，朝著人類終極能源加速前進。

 

據介紹，圍繞HT-7、EAST等大科學工程項目的建設和運行以及深度參與ITER計劃，等離子體所與歐美俄日等40多個國家和地區超過120家科研機構建立了穩定的交流與合作關係。磁約束聚變實驗裝置成為國家開放共享大科學裝置標杆之一，幫助東南亞、西亞、南美、北非等地核聚變新興國家的相關學科研究和實驗裝置建設。EAST裝置實驗數據對全球開放共享，全球合作者可無障礙遠程參與。

 

目前，中法聚變聯合中心、中俄超導聯合質子中心、中美國際托卡馬克合作研究中心、國際聚變能聯合中心等相繼落成並運行，不斷産出具有國際影響力的重要創新成果。

 

“自從遠古以來，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踐的第一步。”李建剛説，“我相信中國聚變人一定會與世界各地的同行一起，共同點亮聚變的第一盞燈。”