15年、98958次實驗！這個大科學裝置，專做人類沒做過的事

在安徽合肥西郊風景秀麗的董鋪水庫上，有一座名為“科學島”的小島。這里是備受當?shù)厝讼矏鄣男蓍e勝地，也是世界首個全超導托卡馬克核聚變實驗裝置——東方超環(huán)（EAST）的所在地。

核聚變具有清潔、環(huán)保、安全、原材料儲量極其豐富等優(yōu)點，被認為能最終解決人類能源問題。

但核聚變的發(fā)生需要上億攝氏度的高溫，如何把物質(zhì)持續(xù)、穩(wěn)定、可控地加熱到上億攝氏度成為難題。

攻克這一難題，就是東方超環(huán)的使命。東方超環(huán)建成于2006年，被譽為“人造太陽”。

之所以獲此美名，并不是因為它與太陽的外觀有多相似，而是因為科學家嘗試用它模擬太陽的熱核聚變過程，并由此為人類提供能源。

從建成至今，15年來，科學家推動東方超環(huán)一次又一次沖破極限，逼近核聚變所需要的條件。

建中國人自己的托卡馬克

一般物質(zhì)達到10萬攝氏度時，原子中的電子就會脫離原子核的束縛，形成等離子體。

如何為這些等離子體加熱，一度成為核聚變研究中的難題。

20世紀50年代初，蘇聯(lián)科學家建成了第一個托卡馬克裝置。

該裝置是一個由封閉磁場組成的“容器”，可以把炙熱的等離子體托舉到半空中持續(xù)加熱。

這個辦法被視為探索、解決未來穩(wěn)態(tài)聚變反應堆工程及物理問題的最有效途徑。

早在上世紀70年代，位于合肥的中國科學院等離子體物理研究所（以下簡稱中科院等離子體所）就開始了核聚變相關研究；90年代，開始了超導托卡馬克的研究。

1990年2月，蘇聯(lián)庫爾恰托夫所副所長卡多姆采夫院士給中科院等離子體所時任所長霍裕平院士發(fā)來一封信，提出愿意將已停機的T-7托卡馬克裝置贈送給中科院等離子體所，以便更好地開展合作研究。

作為等離子體物理學家，霍裕平心里非常清楚T-7對中國意味著什么。

他迅速組織了全所科技骨干深入了解T-7，反復論證改造T-7的可行性。

最終，他們決定接受T-7，并不惜一切代價在3年內(nèi)對其改造，為中國的核聚變做一番拼搏。

1991年3月，T-7設備運抵國內(nèi)，相關改造和建設工作也在中科院等離子體所全面鋪開。

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，成為中國第一個超導托卡馬克。

在此基礎上，中科院等離子體所的科學家又提出了對HT-7進行升級改造的新計劃——“HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設”計劃，以便在近堆芯的高參數(shù)條件下研究等離子體的穩(wěn)態(tài)和先進運行，深入探索實現(xiàn)核聚變能源的工程、物理問題。

為使國內(nèi)外專家易于發(fā)音、便于記憶同時又有確切的科學含義，項目于2003年10月更名為EAST，中文名為“東方超環(huán)”。

2006年，由國家發(fā)展改革委立項支持的東方超環(huán)正式建成。這個主機部分高11米、直徑8米、重400噸的大家伙，成為我國自行設計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置。

第98958次實驗

“98、99、100！”2021年5月28日凌晨3時02分，當大屏幕上的數(shù)字突破100秒時，所有人起立歡呼。

這是東方超環(huán)的第98958次實驗。一個新的世界紀錄由此誕生——東方超環(huán)成功實現(xiàn)可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，將1億攝氏度20秒的原紀錄延長了5倍，進一步證明核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定了物理和工程基礎。

回望過去的15年，東方超環(huán)一次次挑戰(zhàn)極限：

2012年，東方超環(huán)打破世界紀錄，獲得超過400秒的2000萬攝氏度高參數(shù)偏濾器等離子體，并獲得穩(wěn)定重復超過30秒的高約束等離子體放電；

2016年，東方超環(huán)獲得超過60秒的完全非感應電流驅(qū)動（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體，成為世界首個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運行持續(xù)時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置；

2017年，東方超環(huán)實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀錄；

2018年，東方超環(huán)實現(xiàn)加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，在電子回旋與低雜波協(xié)同加熱下，等離子體中心電子溫度達到1億攝氏度；

2021年，東方超環(huán)又一次創(chuàng)造新的世界紀錄。

從這份成績單可以看到，近5年，東方超環(huán)進入了“豐產(chǎn)期”。“這主要是因為2015年東方超環(huán)完成了第一次全面升級，裝置能力得到了大幅提升。”中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所副所長徐國盛告訴《中國科學報》。

人才隊伍的壯大，是東方超環(huán)近5年持續(xù)出現(xiàn)重大突破的另一個原因。

“從2006年東方超環(huán)建成到2016年，10年時間，我們的科研人員不畏艱難、堅持創(chuàng)新，探索出托卡馬克穩(wěn)態(tài)運行的有效方案，科研隊伍在人員數(shù)目和研究水平上有了顯著提升。”徐國盛說。

合作，革新，再沖刺

在東方超環(huán)建成的2006年，中國核聚變領域還經(jīng)歷了另一件大事——正式簽約加入國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。

這是全球最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆裝置，集成了當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學和技術(shù)成果，是人類受控核聚變研究走向?qū)嵱玫年P鍵一步。

這也是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，中國、歐盟、俄羅斯、美國、日本、韓國和印度七方30多個國家參與其中。

與ITER外形相似但比ITER更早投入運行的東方超環(huán)，無論是在工程建設上還是在物理研究上，都為ITER項目提供了可借鑒的經(jīng)驗。

“東方超環(huán)的下一個目標之一，就是演示ITER設計運行時間尺度高約束模式等離子體穩(wěn)態(tài)運行的可行性?！毙靽⒄f。

作為中國為人類命運共同體作貢獻的重要平臺，ITER項目也成為我國發(fā)展自身聚變工程實驗堆的有力支撐。

“近年來東方超環(huán)取得的系列原創(chuàng)性重大成果，以及深度參與ITER計劃取得的成果和經(jīng)驗，都為未來中國聚變工程實驗堆的建設和運行奠定了堅實的科學和工程基礎。”徐國盛說。

接下來，在以往成果和國際合作經(jīng)驗的基礎上，東方超環(huán)還將探索在更長時間尺度下的高溫等離子體運行——數(shù)百秒時間尺度維持等離子體芯部電子溫度超過1億攝氏度的穩(wěn)態(tài)運行。

“東方超環(huán)是一個自身不斷進步的系統(tǒng)，需要通過升級改造來不斷提升系統(tǒng)能力，挑戰(zhàn)工程參數(shù)，突破其運行極限，逼近核聚變所需要的等離子體條件。”徐國盛說。

除了推著東方超環(huán)一步步挑戰(zhàn)極限外，科學家們還有更宏偉的目標。“中國磁約束核聚變研究的最終目標就是要率先在中國實現(xiàn)核聚變發(fā)電?！毙靽⒄f。

對于中國核聚變研究的科學家來說，最值得期待的就是我國盡早開始建設和運行聚變工程實驗堆。

徐國盛介紹，近些年，在科技部的支持下，我國科學家已完成了未來中國聚變工程實驗堆的概念設計、物理設計和工程設計，并進行了一些關鍵部件的預研。

正在建設的“聚變堆主機關鍵系統(tǒng)綜合研究設施”（CRAFT）也將成為國際磁約束聚變領域參數(shù)最高、功能最完備的綜合性研究平臺，可為我國開展聚變堆核心部件研發(fā)和建設提供技術(shù)基礎。

“從東方超環(huán)到中國聚變工程實驗堆，我們所做的每一件事都是人類沒有做過的。我相信，假以時日，科研人員一定能逐步解決未來聚變堆核心科學和技術(shù)問題，讓取之不盡、用之不竭的清潔聚變能造福人類?！毙靽⒆院赖卣f。

《中國科學報》 (2021-11-26 第1版 要聞 原標題為《東方超環(huán)的極限挑戰(zhàn)》)

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛