大迷(mi)信城里的“逐日”故事,等离子体(ti),聚变,托卡马克
在“夸父”办法园区，有数(shu)座单体(ti)修(xiu)建（科研厂房(fang)），它们都是聚变堆主(zhu)机关键(jian)零碎的子零碎，每一个科研厂房(fang)里都有多个零碎正在扶植(zhi)和运行。
1994年12月(yue)，由T-7改形成的超导托卡马克装配HT-7首次获(huo)得等离子体(ti)，成为中(zhong)国第(di)一台超导托卡马克。
图为世界(jie)上首台全超导托卡马克装配EAST东方超环，EAST的国产化率超95%，关键(jian)装备、质料(liao)完成自主(zhu)研发(fa)。
2006年10月(yue)16日，国家重大迷(mi)信工程EAST项目总司理(li)万元熙在第(di)21届世界(jie)聚变能大会上作首个邀请报告，题为《EAST项目希望概况及未来计划》。（本版图片均(jun)为等离子体(ti)所供图）
9月(yue)末的一个清早(zao)，安徽省合肥市未来大迷(mi)信城中(zhong)国迷(mi)信院合肥物质研讨院等离子体(ti)物理(li)研讨所（下称“等离子体(ti)所”）下起了细(xi)雨。初秋的降(jiang)温给这座研讨所带来了丝丝凉意。而在研讨所里，研讨人(ren)员仍连(lian)结着热忱的工作状态。在巨大的控制室内，各国迷(mi)信家正卖力地盯(ding)着面前3层楼高的大屏幕，屏幕上表现着全超导托卡马克装配EAST东方超环（以下简称EAST）的实行运行环境。在屏幕下方，EAST运行总负责人(ren)龚先(xian)祖正在进行一次新的实验(yan)。
龚先(xian)祖正在进行的实验(yan)，是磁(ci)约束(shu)可控核聚变的等离子体(ti)放电实验(yan)。为了解决当当代界(jie)面临的能源(yuan)成绩，参照(zhao)太阳的核聚变反应，各国迷(mi)信家从(cong)20世纪起就开始探索一种大概——行使地球上储(chu)量极其雄(xiong)厚的氘，在地球上建造一个“太阳”，为人(ren)类持续供应清洁能源(yuan)。
在中(zhong)国，这项“逐日”工作，已经持续了半个多世纪。历经4代科研工作者、40万余次实验(yan)、10余次制造世界(jie)纪录……中(zhong)国在自主(zhu)设计、自主(zhu)建造的磁(ci)约束(shu)可控核聚变装配的研发(fa)之路上已经走了很远。近(jin)日，本报记者走进位于合肥未来大迷(mi)信城里的等离子体(ti)所，实地拜望这里的“夸父”迷(mi)信家们“逐日”的新故事。
“让‘小太阳’悬浮在‘大冰箱(xiang)’里”
在EAST控制室里，记者看到，龚先(xian)祖正筹备用鼠标启动一次等离子体(ti)放电。等离子体(ti)本身位于控制室的监视器(qi)墙背面，被关闭在一个装配真空室内。
天天，龚先(xian)祖和他的同事们从(cong)早(zao)到晚要进行约100次等离子体(ti)的放电实验(yan)。“每一次的放电实验(yan)都是向完成可控核聚变迈出的需(xu)要一步。”龚先(xian)祖说。
“可以解释一下可控核聚变的技能原理(li)吗(ma)？”记者问。
“核聚变的基本原理(li)是，两个较轻的核融合在一起形成一个较重的核，这一过程会爆发(fa)出壮大的能量。好比，氢的同位素氘和氚(chuan)融合反应过程傍边，就产生了核聚变。恒星产生能量的主(zhu)要方式，就是核聚变。”等离子体(ti)所科普主(zhu)管蔡其敏对本报记者说，“核聚变需(xu)要上亿摄氏度的高温能力完成，地球上找(zhao)不到能够承受(shou)这么高温度的质料(liao)。科研人(ren)员后来发(fa)现，用强(qiang)磁(ci)场可以把高温等离子体(ti)束(shu)缚(fu)在肯定的空间范围内，这就是磁(ci)约束(shu)。”
EAST是一台全超导托卡马克核聚变实验(yan)装配。它的扶植(zhi)，是为了完成三大迷(mi)信目标：电流1兆安、温度1亿摄氏度、运行维持1000秒。
托卡马克装配是一种环形聚变装配，用来约束(shu)带电的高温等离子体(ti)。“科幻影(ying)戏《飘泊(bo)地球》里推着地球往前走的行星发(fa)动机，就是核聚变装配。”龚先(xian)祖说，“托卡马克装配行使磁(ci)场来约束(shu)加热后的等离子体(ti)环——一种包罗离子和电子的流体(ti)状物质状态，其温度比太阳焦点还要高。等离子体(ti)维持的时间越长，就能够获(huo)得越多的聚变能源(yuan)，这就是托卡马克的运行原理(li)。”
“我们要维持稳定的磁(ci)场约束(shu)高温等离子体(ti)，需(xu)要给磁(ci)体(ti)通大电流产生强(qiang)磁(ci)场。EAST的磁(ci)场强(qiang)度要比地球的磁(ci)场强(qiang)度高1万多倍，这对能源(yuan)的消耗极大，”中(zhong)国工程院院士、等离子体(ti)物理(li)学家李建刚说，“为了使这一部分(fen)能量消耗减少，我们得让磁(ci)体(ti)超导。”
在EAST内部有30个超导线圈。在极低温条件下，这些(xie)超导线圈具有零电阻效应，通大电流可以产生稳态的约束(shu)磁(ci)场并且不会产生热量，使高温等离子体(ti)稳态运行成为大概。
超导对温度的请求极高，零下269摄氏度是它的标准温度。李建刚说，“聚变能就是一个‘小太阳’，我们要做的是让这个1亿摄氏度的‘小太阳’悬浮在一个零下269摄氏度的‘大冰箱(xiang)’里，这件事情在我们之前全世界(jie)都没有做过。”
为建成EAST，等离子体(ti)所的科研团队花了6年多的时间，从(cong)开工到扶植(zhi)，发(fa)展了68项关键(jian)技能。其中(zhong)有大型的超导技能、精准控制技能、加热技能、真空技能、射频技能、电源(yuan)技能、低温技能等。“所有关键(jian)技能都是我们自己研发(fa)的。”李建刚说。
“2006年的9月(yue)16日EAST获(huo)得了第(di)一次等离子体(ti)。”李建刚说，“当年我们EAST项目总司理(li)万元熙在世界(jie)原子能聚变大会上作报告，全场起立为中(zhong)国的造诣鼓掌(zhang)。在那一刻，作为一其中(zhong)国人(ren)我以为非(fei)常(chang)自豪。”
2023年4月(yue)12日晚9点摆布，EAST在第(di)122254次实验(yan)中(zhong)成功完成了403秒稳态长脉冲(chong)高约束(shu)形式等离子体(ti)运行，制造了托卡马克装配高约束(shu)形式运行新的世界(jie)纪录。
“这样(yang)的纪录意味着，可控核聚变正一步步迈向贸易化应用。”中(zhong)国迷(mi)信院合肥物质迷(mi)信研讨院副院长、等离子体(ti)所所长宋云涛说，“我们已经看到了可控核聚变完成的曙光。”
为下一代“天然(ran)太阳”研制“发(fa)动机”
中(zhong)国的“天然(ran)太阳”究(jiu)竟什么时候能走出实验(yan)室？
简单地说，要满(man)意两个条件。一是稳定运行的时间足够长，这样(yang)能力持续释放聚变能量。二(er)是产出的能量大于消耗的能量，这样(yang)才有经济价值。等离子体(ti)所副所长陆坤告诉本报记者，从(cong)稳定运行时长来看，目前还有很大提升空间。
陆坤说：“大家寻求的肯定是一成天或者是很多天的连(lian)续运行，但迷(mi)信是一步一步往前走的。接上去(qu)我们冲(chong)要击1000秒，或者是更长的时间。”
提升核聚变装配稳定运行时长的难(nan)点在哪(na)？对于中(zhong)国采取(qu)的磁(ci)约束(shu)路线来说，主(zhu)要在于质料(liao)。陆坤说，尽管EAST装配本身并不直(zhi)接接触高温等离子体(ti)，但仍然(ran)容易被逃逸的粒子损伤。
陆坤表示：“参数(shu)高了，这些(xie)高能粒子肯定会逃逸。一些(xie)逃逸的高能粒子大概会打到一些(xie)部件上，如果时间长了，部件会有损伤。基于质料(liao)的不断发(fa)展，还有我们运行控制能力的增强(qiang)，包括(kuo)从(cong)布局上看是否还有更优化的地方，能够让其承受(shou)更高的热负荷，在这几(ji)个方面要一起努力。”
而从(cong)产出能量大于消耗能量的角度看，托卡马克装配内产生聚变反应要有功率巨大的辅助加热零碎，这就要消耗能量。而聚变开始后，会产生能量，这两者的比值叫作Q值，也就是聚变增益。Q值大于1，代表产出能量大于消耗能量，也就是净产出。不外，目前全球托卡马克装配的Q值很少到达1。
陆坤说：“只(zhi)要Q值大于1就能够实验(yan)着去(qu)发(fa)电了。我们最终寻求的目标是Q值大于30，这样(yang)会更有经济性(xing)，大家能力用得起。我们要探索的就是在时间尺度上能够去(qu)稳定地维持高参数(shu)的等离子体(ti)，为后续新的装配提供焦点的技能支撑。”
要造出真正有实用价值的“天然(ran)太阳”，还得超过从(cong)实验(yan)装配到实验(yan)堆、工程堆、示范堆、贸易电站的多个阶段，需(xu)要研制一代代科技含量更高的“天然(ran)太阳”。
为下一代“天然(ran)太阳”研制“发(fa)动机”，“夸父”的使命(ming)困(kun)难(nan)。
“夸父”的学名为“聚变堆主(zhu)机关键(jian)零碎综合研讨办法（CRAFT）”，是国家“十三五”重大科技基础办法，2018年12月(yue)获(huo)批开工扶植(zhi)。
走进聚变堆园区11号科研厂房(fang)，记者看到了那片巨大的中(zhong)空“扇瓣”，就是CRAFT部分(fen)部件的雏形。
“它是‘夸父’的焦点部件1/8真空室及总体(ti)安装实验(yan)平台。”蔡其敏告诉记者，8个“扇瓣”将构成一个“大橘子”，成为未来“天然(ran)太阳”的重要构成部分(fen)，相称于一个锅炉，能够为上亿摄氏度的等离子体(ti)运行提供高质量的真空环境。
在“夸父”办法园区，有14座单体(ti)修(xiu)建（科研厂房(fang)），它们都是聚变堆主(zhu)机关键(jian)零碎的子零碎，每一个科研厂房(fang)里面都有多个零碎正在扶植(zhi)和运行，有的零碎已经初步建成，正在进行整体(ti)的联调和测试，有的还在加紧研制过程中(zhong)。在这些(xie)装配上，将开展一系列(lie)关键(jian)技能预研，为未来中(zhong)国建造真正能完成核聚变发(fa)电的“聚变堆”提供焦点技能基础和研讨平台。
在宽阔的厂房(fang)里，来自170余家国内外互助单位的1000多名扶植(zhi)者正奋力攻关一系列(lie)科研与工程技能难(nan)题，力争完成这些(xie)目标——国际上时间最长的百秒量级强(qiang)流负离子束(shu)引出，运行温度最高、研讨功能最完备的锂(li)铅(qian)实验(yan)平台，规模最大的Nb3Sn线圈热处理(li)零碎……
宋云涛说，基于几(ji)代人(ren)的持续进修(xiu)、研讨、制造，EAST的国产化率超95%，关键(jian)装备、质料(liao)完成自主(zhu)研发(fa)，而“夸父”的国产化率将提升到100%。
目前，“夸父”主(zhu)体(ti)工程已完成116项关键(jian)里程碑傍边的70余项，项目从(cong)子零碎的实验(yan)室研发(fa)测试阶段进入关键(jian)部件的研制和现场集成及调试阶段，总体(ti)进度已超70%，估计“夸父”将在2025岁尾建成。
2024年8月(yue)28日，迷(mi)信杂志《天然(ran)》（Nature）期刊揭橥了题为《聚焦中(zhong)国如何在核聚变的赛道上领先(xian)世界(jie)》（“Inside China's race to lead the world in nuclear fusion”）的新闻特写报道，深入探讨了等离子体(ti)物理(li)研讨所和中(zhong)国在核聚变范畴的发(fa)展造诣和未来的发(fa)展计划前景(jing)以及在全球范围内的互助竞争态势。文章详(xiang)细(xi)引见了EAST、CRAFT、ITER及中(zhong)国在磁(ci)约束(shu)聚变迷(mi)信研讨和工程技能研发(fa)方面的希望，以及国家层面的支持和发(fa)展。
文章对中(zhong)国的核聚变技能发(fa)展表示赞叹：“中(zhong)国在核聚变研讨方面的优势在于其在开发(fa)建造反应堆所需(xu)的质料(liao)、部件和诊断零碎方面的速度和专注度。中(zhong)国对扶植(zhi)核聚变技能人(ren)员部队的重视也使该国在人(ren)材方面具有优势。”文章援引麻省理(li)工学院核迷(mi)信家丹尼斯·怀特（Dennis Whyte）的话(hua)称：“在可控核聚变范畴，中(zhong)国已经从(cong)几(ji)十年前的知名小卒成长为拥有世界(jie)一流能力的人(ren)。”
“自从(cong)太古以来，我们的先(xian)人(ren)就有‘夸父逐日’的空想。本日，我们把聚变研讨变成工程理(li)论的第(di)一步。”李建刚说，“我置信中(zhong)国聚变人(ren)肯定会与世界(jie)各地的同行一起，让可控核聚变最终成为实际。”（本报记者 杨俊峰 徐靖）
《人(ren)民日报海外版》（2024年11月(yue)12日 第(di)05版）
责编(bian)：金泳辰、张振