1.2億攝氏度“燃燒”101秒！中國“人造太陽”創(chuàng)造新世界紀錄，自主聚變工程實驗堆邁出堅實一步 | 獨家解析

5 月 28 日凌晨，中科院合肥物質科學研究院 EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）全超導托卡馬克裝置控制大廳傳來喜訊，正在開展的第 16 輪 EAST 裝置物理實驗，實現(xiàn)了可重復的 1.2 億度 101 秒等離子體運行、以及 1.6 億度 20 秒等離子體運行，再次創(chuàng)造該實驗裝置的最新世界紀錄。

談及為何在凌晨完成，參與本次研究的中科院等離子體物理研究所博士生閆廣厚表示：“不是非要選在凌晨，是因為干到那時候了，都不愿意放棄，其實第二天白天再接著做也行。”
EAST 又叫 “東方超環(huán)”，2020 年 6 月 EAST 啟動升級改造，如今歷時一年其性能得以全面提升，并在物理實驗中攻克了穩(wěn)態(tài)高功率加熱、非感應的高電流驅動、高精度等離子體實時控制、高熱負荷等離子體與壁材料相互作用等系列技術難題。
本次 1.2 億度 101 秒等離子體運行的實現(xiàn)，將去年 EAST 物理實驗實現(xiàn)的 1 億度 20 秒的世界紀錄提高了 5 倍，這說明 EAST 的綜合研究能力獲得重大突破，標志著中國在穩(wěn)態(tài)高參數(shù)磁約束聚變研究領域開始引領國際前沿。
本次成果也進一步證明了核聚變能源的可行性，對此史善爽告訴 DeepTech，核聚變目前面臨一項核心問題，就是如何穩(wěn)定地把上億度的反應持續(xù)進行。
在此前實驗里，EAST 分別獲得過一億度等離子體和一百秒以上長脈沖運行這兩項成績，本次實驗的意義在于同時實現(xiàn)一億度和一百秒，而在一億度這個量級上之前，聚變裝置的運行記錄是 20 秒。單從數(shù)據(jù)上看，這很明顯是一種飛躍。
對于數(shù)據(jù)背后的意義，史善爽剖析稱：20 世紀 90 年代，在部分聚變裝置的高參數(shù)運行取得成果后，此后多年科學家們都致力于將這種高參數(shù)聚變反應加以穩(wěn)定和持續(xù)。為此，聚變裝置的磁體也從常規(guī)磁體、升級到超導磁體，而 EAST 就是全球首個全超導托卡馬克。
此外，還需從材料等方面提高裝置第一壁的耐熱能力，比如采用鎢銅偏濾器、增加主動冷卻等。另外，還要不斷優(yōu)化等離子體控制技術。而這些技術都在本次 EAST 的實驗上得以成功應用和驗證。
史善爽表示，聚變可行性的背后有著關鍵技術的支撐，這說明我們的方向是對的。再往后，我們還有下一代中國聚變工程實驗堆 CFETR 和國際熱核聚變實驗堆 ITER，這兩個裝置體量更大，相同技術也會得到更具突破性的成就。屆時，距離聚變能源的終極目標也就越來越近了。
實驗成功后，前文的閆廣厚在社交媒體寫了一篇文章，他寫道：“前路依然漫漫，盤點核聚變有一個著名的 ‘勞遜判據(jù)’，簡而言之就是核聚變發(fā)電能都實現(xiàn)，這主要得看等體溫度、密度和約束時間三項。本次實驗，不管是溫度還是約束時間都是非常高的。當然，密度現(xiàn)在遠遠不夠，在 10 的 19 次方這個量級。所以，意義有，但距離還遠?！?/span>
發(fā)明 “人造太陽” 去干預 “不穩(wěn)定”
核聚變能具有資源豐富、無碳排放和清潔安全等優(yōu)點，因此它是人類未來理想的清潔能源之一，還可為碳中和作出重要貢獻。
眾所周知，太陽能發(fā)出能量，這種能量來自氫原子核，氫原子核之間會發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生核聚變，進而釋放光和熱。但是不是每天都有太陽，因此這種能量并不穩(wěn)定。
天氣是不可抗力，我們無法干預。但是模仿上述原理，發(fā)明一個 “人造太陽” 去干預這種 “不穩(wěn)定”，正是人類的智慧所在。
要想獲得無限清潔的能源，“人造太陽” 就得扛得住上億攝氏度的超高溫，還要控制氘（dāo）聚變和氚（chuān）聚變，從而讓它們持續(xù)穩(wěn)定地輸出能量。
而制造托卡馬克（Tokamak）環(huán)形容器，能利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變。科學家發(fā)現(xiàn)，在該裝置上把氘氚的聚變燃料，加熱到幾億攝氏度，即可發(fā)生大量熱核聚變反應，并且是受控制的反應。
原理已經(jīng)弄清楚，但是要想實現(xiàn)核聚變發(fā)電，所面臨的兩個難題也和原理息息相關：即如何長期穩(wěn)定地控制熱核聚變反應？以及如何實現(xiàn)上億攝氏度點火？
其中，上億度等離子體的長時間維持尤為困難，這需要將諸多要素進行高度集成和有機結合，如上億度等離子體與 - 269℃ 超導磁體、高熱負荷等離子體與壁材料相互作用、動態(tài)精密控制等多項極端條件。由于難度過大，此前國際上超過 1 億攝氏度的等離子體運行最長持續(xù)時間只有 20 秒。
而本此成果也是 EAST 裝置首次在國際上采用全金屬主動水冷第一壁、高性能鎢偏濾器、穩(wěn)態(tài)高功率波加熱、等離子體位形精密控制等關鍵技術，也就是說本次成果驗證了未來聚變堆必須采用的關鍵技術。
作為磁約束核聚變實驗裝置，EAST 裝置具備與國際熱核聚變實驗堆（ITER）類似的加熱方式和偏濾器結構的，也是全球唯一一個和 ITER 類似的裝置。
它還是唯一能在百秒量級條件上全面演示和驗證 ITER 未來 400 秒科學研究的實驗裝置。其所取得的系列成果，將為中國自主建造聚變工程實驗堆提供堅實科學技術基礎。
但是，很多人只熟悉 EAST 如今輝煌，卻鮮少知道立項之初的艱辛，這里灑滿了上一輩科學家的心血。
“十年磨劍終成器，聚變曙光耀東方”
1998 年，國家發(fā)改委委員會批準立項 EAST，中科院等離子體物理研究所耗時十年辛勤耕耘。最終在 2007 年 3 月 1 日，作為“九五” 期間的國家重大科技基礎設施，EAST 正式竣工。
當時驗收 EAST 的是該項目的總負責人、中國工程院院士萬元熙，他對媒體表示，與國外同類裝置相比，該團隊已建成的裝置使用資金最少、建設速度最快、自主創(chuàng)新最多。

中科院原院長、中科院院士白春禮在竣工致辭中評價稱：“十年磨劍終成器，聚變曙光耀東方?！?/strong>
萬元熙生于 1939 年，EAST 驗收時他已經(jīng) 68 歲，早在幾十年前，萬元熙曾參加過托卡馬克的國際會議，他曾回憶稱：“以前我們與發(fā)達國家有很大差距，出國口袋里沒有一點錢，根本談不上社交”。而當初向國家提出建造先進 EAST 計劃時，這一想法頗為時髦，但他說：“我提出很多大膽的改革思路，年輕人說我不像是位老同志。我引領‘新潮流’，是所里第一個貸款買車的?！?/span>
20 世紀 50 年代，前蘇聯(lián)發(fā)明了托卡馬克裝置。后續(xù)幾十年的發(fā)展中，科學家們一般使用圓截面來制作托卡馬克裝置，而萬元熙做了一個冒險的決定，要做全超導、非圓截面的托卡馬克。
他說：“我的冒險有理論根據(jù)。一是世界上已經(jīng)有模型線圈作了相關實驗，證明托卡馬克可以承受一定量的快速磁通變化；二是物理上也有其他可采用的辦法，能夠用來降低超導托卡馬克對其快速磁通變化的要求。就像是走路，如果前頭是一面墻，人肯定穿越不過，但即使前面只有一條小路，人也能夠通過，如果這面墻是紙糊的，人就很容易穿越?！?最終，EAST 選擇了非圓截面。
2006 年 10 月，成都國際聚變能會議上，萬元熙作了題為《EAST 項目進展概況及未來規(guī)劃》的開幕演講，介紹了 EAST 的相關成績。
來自美國的 Goldstone 教授也參加了該會議，以往類似場合他都坐在第一排，經(jīng)常在專家演講結束后提出尖銳問題。但這次他站起來并表示：“我建議我們全體起立，為中國的 EAST 熱烈鼓掌祝賀！”
現(xiàn)任 ITER 組織總裝首席總工程師武松濤，是 EAST 的裝置主機負責人，他畢業(yè)于華中工學院（現(xiàn)華中科技大學）光學工程專業(yè)，依靠自學開始研究聚變實驗裝置，并在 20 世紀 90 年代伊始參與建造了中國首個超導托卡馬克實驗裝置合肥超環(huán)（HT-7）。

合肥超環(huán)（HT-7）建成后，他也參與提出建造 EAST，其曾表示：“中科院希望能有年輕的科研人員參與項目，所領導到院里匯報工作有年輕人他們就高興，如果只是所領導自己，院領導就苦臉相對。我介入裝置總體設計，跟著霍裕平、萬元熙、翁佩德幾位老領導跑，他們都比我大 20 歲左右。我參加了院里及國家組織的幾十次項目方案論證，我作總體方案這部分報告。有關部委領導看了 HT-7U（EAST 原名）都說，項目本身不錯，但工程要持續(xù)那么久能否做到后續(xù)有人？大科學工程給了我成長的機會，我感謝老同志對我的信任和培養(yǎng)?！?/span>
最初他們提出用 2000 萬美元建造 EAST，國內外很多專家紛紛表示質疑，多少次方案匯報和論證都是在 “爭吵” 中度過，但這些 “不順” 反而歷練了武松濤。
EAST 各個關鍵部件的結構，早已清晰鐫刻在 EAST 團隊成員的大腦中。沒有記錄，就沒有發(fā)生。為了讓后輩有可參考的資料，從 1998 年到 2001 年，武松濤和同事每年出一本裝置設計的文集，序言由他親自撰寫，其一是為了記錄工作，其二是希望給后來者留下參考文獻。
EAST 中含有 600 多個絕緣子，萬元熙曾打比方說，這些絕緣子好比人腦中的毛細血管，一個破裂沒準就會腦癱瘓。當時他們的絕緣子技術還不夠熟悉，武松濤雖然早年在國外參觀過托卡馬克的絕緣子，但外國團隊不愿透露研制技術。彼時的絕緣子也貴得離譜，一個就要 1400~1600 美金，算下來 EAST 光絕緣子造價，就得 90 萬美金左右。
他們一開始想使用 T-7 裝置卸下來的絕緣子，該裝置是中科院合肥研究院等離子體所從俄羅斯買來的。蘇聯(lián)解體前夕，俄羅斯庫爾恰托夫研究所所長卡多姆采夫（Kadomtsev）寫信給時任核工業(yè)西南物理研究院院長李正武，稱愿通過國際合作方式，將價值 1500 萬美元的 T-7 裝置贈送給中國，該信被轉交到時任合肥等離子體所所長的霍裕平所長。
當時，該所領導班子果斷決定接收 T-7 裝置，1991 年雙方簽訂協(xié)議，后面三年間雖然所里經(jīng)濟比較困難，但全所主要人力、財力都投入到 T-7 裝置的改造上，并最終改造出當時中國第一個、世界第四個超導托卡馬克裝置，即前文提到的合肥超環(huán)（HT-7）。
說回 EAST 的絕緣子，如果使用俄羅斯 T-7 卸下來的，陶瓷材料不符合 EAST 的要求。本想找國內合作伙伴做絕緣材料，但是考慮到經(jīng)濟效益，沒有人愿意接。
當時 EAST 團隊的潘皖江只好自己上手干，他曾表示：“絕緣子前后研發(fā)了 3 年，自己做了兩年。我們只能自力更生，在實踐中摸索著干?！?因為成功率較高，他還申請了專利，他說：“對外說我們的成功率達到 90%，人家一般不相信，怎么可能那么高呢？我還沒好意思跟他們說，我們的成功率甚至高達 99% 呢！”

此外，在當時 EAST 總工藝師高大明的指導下，CICC 生產(chǎn)線的建成也為 EAST 的超導磁體繞制、超導磁體實驗等奠定了基礎。負責主抓 EAST 質量的他曾說：“我們的學生在國外，別人問起 EAST 怎么做，他完全可以應答如流。過去發(fā)達國家與我們合作純粹是為了省點加工費用，現(xiàn)在我們 EAST 的整套經(jīng)驗對它們有用?！?/span>

高大明所講的“應答如流”，在閆廣厚身上有著很好的體現(xiàn)，他目前是該所的一位 95 后博士生——和武松濤一樣熱愛用文字記錄科研歷程，這樣來看武松濤之前擔心的 “后繼無人” 似乎并未出現(xiàn)。
在文章中，閆廣厚驕傲寫道：“很多人都知道核聚變需要 50 年才能實現(xiàn)的這個‘梗’，其實隨著國家這些年的不斷投入，以及更多的裝置落地實現(xiàn)，真的有種感覺，永遠的 50 年正在變?yōu)?49 年...... 也許中國核聚變實現(xiàn)之時，就是世界風云變化之日?！?/span>

在那篇文章最后，閆廣厚曬了好幾張研究所的風景圖，他希望更多 90 后甚至 00 后可以像他一樣，也來這里做中國核聚變。
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