自主設(shè)計、自主建造全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置創(chuàng)造多項世界紀(jì)錄
人造太陽：為開發(fā)核聚變能源探路（走近大科學(xué)裝置③）
本報記者劉詩瑤
我國自主設(shè)計、自主建造的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置。
中國科學(xué)院合肥研究院等離子體所供圖
眼下，合肥科學(xué)島春光無限、生機(jī)盎然。小島的中間地帶，矗立著一座外形酷似宇宙飛船的大樓——中國科學(xué)院合肥研究院等離子體所；大樓深處，有一個大科學(xué)裝置——全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（中文名為東方超環(huán)，簡稱EAST），俗稱“人造太陽”。
這座由我國自主設(shè)計、自主建造的核聚變實驗裝置，多次創(chuàng)造出等離子體運(yùn)行的世界紀(jì)錄，代表著我國磁約束聚變研究在高溫等離子體運(yùn)行物理和工程方面的研究水平，為全人類開發(fā)利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
“人造太陽”長什么樣？何時能造福人類？前不久，記者進(jìn)行了實地探訪。
一旦人類掌握了核聚變能，將擁有可使用上百億年的清潔能源
盡管提前做了一些功課，當(dāng)真正來到“人造太陽”面前，這個龐然大物依然讓人震撼。裝置主體高11米、直徑8米、重達(dá)400噸，周圍供電、冷卻等輔助設(shè)備林立。其核心結(jié)構(gòu)是一個像面包圈的環(huán)形磁容器“托卡馬克”。
探訪當(dāng)天，“人造太陽”并未進(jìn)行實驗。大約十幾名科研人員手持檢測工具，在裝置主體上下攀爬，進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和更新。裝置零件數(shù)量巨大，材料和工藝完全依靠自主研發(fā)。從2006年建成至今，裝置每年都會進(jìn)行保養(yǎng)和零部件更新?lián)Q代，確保實驗的順利進(jìn)行。
俗話說萬物生長靠太陽。在太陽內(nèi)部無時無刻不在發(fā)生著核聚變，為大自然帶來最普遍的能量來源。所謂“人造太陽”，是指充分利用這個科學(xué)原理，在地球上建造一套核聚變裝置，像太陽一樣發(fā)生核聚變反應(yīng)，從而源源不斷地產(chǎn)生能量。嚴(yán)格意義上講，“人造太陽”的稱謂并非專屬于東方超環(huán)，凡是應(yīng)用了類似原理的裝置，都能這么稱呼。
“人造太陽”重要性體現(xiàn)在哪里？
這要從核聚變能的優(yōu)點說起。相比核裂變，核聚變沒有放射性。氘和氚反應(yīng)的生成物是氦氣，對環(huán)境無害，一旦造成反應(yīng)的等離子體熄滅，聚變反應(yīng)會終止。核聚變的原料儲量也很豐富，氘可以直接在海水中提取，氚則可以通過中子和鋰反應(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升汽油完全燃燒釋放的能量。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，是目前認(rèn)識到的、可以最終解決全球能源問題的重要途徑之一。一旦人類掌握了核聚變能，將擁有可使用上百億年的清潔能源。
東方超環(huán)這座大科學(xué)裝置對實現(xiàn)核聚變能有什么貢獻(xiàn)？
中科院合肥研究院副院長、等離子體所所長宋云濤介紹，這座大科學(xué)裝置的科學(xué)目標(biāo)，正是從前期基礎(chǔ)研究出發(fā)，對受控核聚變相關(guān)的前沿物理問題展開探索性實驗研究，既著眼物理理論突破，同時驗證工程上的可行性，為將來打造真正的商業(yè)聚變堆、電站打下基礎(chǔ)。
太陽發(fā)生核聚變，主要依靠星球引力約束等離子體?？傻厍蛏蠜]有那么大引力，要想讓能量不失控，就需要借助磁場來約束。受控?zé)岷司圩兊膶崿F(xiàn)離不開超高溫、超低溫、超強(qiáng)磁場、超大電流、超高真空的極限環(huán)境，科學(xué)家們用磁場做成“托卡馬克”這座“磁籠”，牢牢將高溫物質(zhì)控制住，磁場外面用真空隔絕，保護(hù)裝置材料不被燒毀。
盡管主流可控核聚變方式不止有磁約束這一種，還有慣性約束、引力約束等，但磁約束在實驗室條件下接近成功，也是國際上主流的研究方向。因此，托卡馬克核聚變實驗裝置被公認(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，是地球?qū)ふ揖圩兡茉闯雎返南Ｍ?/p>
在東方超環(huán)這座大科學(xué)裝置的牽引下，衍生出一系列創(chuàng)新成果
從5000萬攝氏度放電30秒至60秒，再到百秒，再到1億攝氏度運(yùn)行20秒……東方超環(huán)不斷刷新著放電紀(jì)錄。如果能較長時間維持1億攝氏度的高溫，實現(xiàn)接近1000秒的放電時間，將證明人類距離解決核聚變商業(yè)化應(yīng)用的步伐更進(jìn)一步。
每一秒的增長，在科學(xué)上都具有極高的難度，背后是科研人員夜以繼日的鉆研和嘔心瀝血的付出。
實現(xiàn)受控?zé)岷司圩兒头€(wěn)態(tài)約束等離子體，是國際共性科學(xué)難題。根據(jù)物理學(xué)理論“勞森判據(jù)”，核聚變點火條件包括核聚變?nèi)剂系臏囟?、密度和約束時間這三個要素。據(jù)等離子體所博士鄢容介紹，想實現(xiàn)聚變反應(yīng)，首先要達(dá)到1億攝氏度以上，使聚變?nèi)剂贤耆婋x，并在保證等離子體密度的前提下，將高溫等離子體維持相對足夠長的時間，不泄露不逃逸，才可能釋放出足夠多的能量。托卡馬克的高溫物質(zhì)，就像是一群正在嬉戲打鬧的淘氣孩子，很難控制。溫度、密度、時間這三個要素缺一不可，相互協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)，才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)約束。
除了科學(xué)實驗難度高，作為集成系統(tǒng)，這個裝置對工程配合要求也極高。據(jù)了解，整個大科學(xué)裝置總共有48個窗口，零件數(shù)量相當(dāng)于5架波音777飛機(jī)的零件總和。短短的數(shù)十秒運(yùn)行中，任何一個零件失靈，任何一滴不該出現(xiàn)的水珠，任何一個停滯的環(huán)節(jié)，都會導(dǎo)致實驗風(fēng)險?？蒲腥藛T不舍晝夜地實驗、調(diào)試，就是希望能更精確掌握等離子體的基本特性，研究改進(jìn)磁籠子的形態(tài)和性質(zhì)，在看似雜亂無章的現(xiàn)象中發(fā)掘科學(xué)規(guī)律，提出長時間等離子體穩(wěn)定約束的最佳運(yùn)行方案。
大科學(xué)裝置集高精尖技術(shù)于一身，其承載的意義早已不止追求科學(xué)目標(biāo)本身。在東方超環(huán)這座大科學(xué)裝置的牽引下，衍生出了一系列重要的創(chuàng)新成果，形成了超導(dǎo)技術(shù)、低溫技術(shù)、等離子體技術(shù)、生物技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等多個產(chǎn)業(yè)技術(shù)板塊，推動一大批高新技術(shù)成果實現(xiàn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了“一路摘瓜”“沿途下蛋”。
比如，質(zhì)子和重離子放療是目前國際公認(rèn)最尖端的放射治療技術(shù)，一直被發(fā)達(dá)國家所壟斷。等離子體所利用大科學(xué)裝置的超導(dǎo)技術(shù)，積極研制國內(nèi)首套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用超導(dǎo)質(zhì)子癌癥治療系統(tǒng)，將大幅降低患者治療費(fèi)用。
此外，等離子體還能治療皮膚病，有廣譜抗菌、加速凝血、促進(jìn)細(xì)胞增殖、無耐藥性及副作用等優(yōu)點；等離子體所將大科學(xué)裝置離子束技術(shù)引入生物學(xué)科，致力于微生物新菌種的創(chuàng)制、發(fā)酵調(diào)控、產(chǎn)物分離分析及終端產(chǎn)品的研究和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。
據(jù)介紹，我國的核聚變研究與國際基本同步，甚至在聚變某些技術(shù)領(lǐng)域確立了領(lǐng)跑地位，在超導(dǎo)、穩(wěn)態(tài)控制、加熱等方面鞏固了中國特色。有國外期刊稱贊“中國創(chuàng)造了聚變歷史”“在這里科學(xué)價值得到極大體現(xiàn)”。
以東方超環(huán)項目為依托，科研人員參與了目前全球規(guī)模最大的國際科研合作項目
在國際科技合作方面，東方超環(huán)作為國際磁約束聚變裝置中最前沿的國際開放平臺之一，積極開展國際聯(lián)合實驗，促進(jìn)了全面開放共享。
更重要的是，以這個項目為依托，我國科研人員參與了目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項目ITER（國際熱核聚變實驗堆計劃）。該計劃的目標(biāo)是在和平利用聚變能的基礎(chǔ)上，探索聚變在科學(xué)和工程上的可行性。包含中國在內(nèi)的多個國家參與了這個國家大科學(xué)項目，舉多國合力向受控聚變實驗堆邁進(jìn)。
“東方超環(huán)很像ITER的縮小版，運(yùn)行模式也都是采用了長脈沖高約束。我國科研人員在這個裝置上摸爬滾打這么多年，每個材料都摸過，每個環(huán)節(jié)都練過，真正積累了等離子體運(yùn)行的實際經(jīng)驗，能在科學(xué)原理和工程建設(shè)上為ITER提供寶貴參考經(jīng)驗。”宋云濤說。
當(dāng)前，我國承擔(dān)了ITER10%左右的采購包，其中七成由中科院合肥研究院等離子體所承擔(dān)?？蒲腥藛T勇于擔(dān)當(dāng)，直接爭取到ITER最重要的核心設(shè)備“超導(dǎo)磁體”的建造任務(wù)。這個任務(wù)風(fēng)險很大，但科研人員不畏艱難，高效高質(zhì)交付了18個采購包制造內(nèi)容，涵蓋了ITER裝置幾乎所有關(guān)鍵部件,由上百家科研院所和企業(yè)承擔(dān)。大電流高溫超導(dǎo)直流電纜、脈沖高壓變電站首臺主變壓器……自主研發(fā)的各項設(shè)備運(yùn)到歐洲，獲得了合作伙伴的高度認(rèn)可。也正因為他們的出色表現(xiàn)，我國直接拿下了整個裝置的總裝任務(wù)。2020年10月，ITER計劃啟動主體安裝工作，我國科研人員恪守承諾，確保安裝進(jìn)度正常。
參與ITER項目十幾年，我國科研團(tuán)隊獲得了深度參與國際科研合作項目的機(jī)會，積累了建造“人造太陽”的經(jīng)驗，在材料科學(xué)、超導(dǎo)技術(shù)等領(lǐng)域研發(fā)能力得到進(jìn)步，為中國建造聚變工程實驗堆（CFETR）奠定了基礎(chǔ)。
“許多研究物理的年輕人通過在ITER的歷練，開闊了眼界，鍛煉了本領(lǐng)，回國后成為‘挑大梁’的骨干。”宋云濤說，許多與合肥院合作的國內(nèi)企業(yè)，在生產(chǎn)超導(dǎo)材料、打造零部件方面達(dá)到水平一流，積累了國際工程管理、國際合作經(jīng)驗；一些企業(yè)甚至走出國門，拿到了國際訂單。
“作為東方超環(huán)的科研團(tuán)隊，我們感到責(zé)任重大、使命光榮。近期，我們希望通過努力，向超高溫度更長時間的放電努力，產(chǎn)出一批原創(chuàng)性、戰(zhàn)略性、集成性創(chuàng)新成果；長期而言，我們盼望著能夠?qū)崿F(xiàn)大科學(xué)裝置能量輸出大于輸入，爭取在2040年前后建成聚變電站，讓千家萬戶早日用上核聚變能源，實現(xiàn)清潔能源夢想。”宋云濤說。
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