5 月 28 日凌晨，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）全超導(dǎo)托卡馬克裝置控制大廳傳來(lái)喜訊，正在開(kāi)展的第 16 輪 EAST 裝置物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的 1.2 億度 101 秒等離子體運(yùn)行、以及 1.6 億度 20 秒等離子體運(yùn)行，再次創(chuàng)造該實(shí)驗(yàn)裝置的最新世界紀(jì)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?yàn)楦傻侥菚r(shí)候了，都不愿意放棄，其實(shí)第二天白天再接著做也行?！?/strong>
EAST 又叫 “東方超環(huán)”，2020 年 6 月 EAST 啟動(dòng)升級(jí)改造，如今歷時(shí)一年其性能得以全面提升，并在物理實(shí)驗(yàn)中攻克了穩(wěn)態(tài)高功率加熱、非感應(yīng)的高電流驅(qū)動(dòng)、高精度等離子體實(shí)時(shí)控制、高熱負(fù)荷等離子體與壁材料相互作用等系列技術(shù)難題。
本次 1.2 億度 101 秒等離子體運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)，將去年 EAST 物理實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的 1 億度 20 秒的世界紀(jì)錄提高了 5 倍，這說(shuō)明 EAST 的綜合研究能力獲得重大突破，標(biāo)志著中國(guó)在穩(wěn)態(tài)高參數(shù)磁約束聚變研究領(lǐng)域開(kāi)始引領(lǐng)國(guó)際前沿。
本次成果也進(jìn)一步證明了核聚變能源的可行性，對(duì)此史善爽告訴 DeepTech，核聚變目前面臨一項(xiàng)核心問(wèn)題，就是如何穩(wěn)定地把上億度的反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。
在此前實(shí)驗(yàn)里，EAST 分別獲得過(guò)一億度等離子體和一百秒以上長(zhǎng)脈沖運(yùn)行這兩項(xiàng)成績(jī)，本次實(shí)驗(yàn)的意義在于同時(shí)實(shí)現(xiàn)一億度和一百秒，而在一億度這個(gè)量級(jí)上之前，聚變裝置的運(yùn)行記錄是 20 秒。單從數(shù)據(jù)上看，這很明顯是一種飛躍。
對(duì)于數(shù)據(jù)背后的意義，史善爽剖析稱：20 世紀(jì) 90 年代，在部分聚變裝置的高參數(shù)運(yùn)行取得成果后，此后多年科學(xué)家們都致力于將這種高參數(shù)聚變反應(yīng)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(jí)到超導(dǎo)磁體，而 EAST 就是全球首個(gè)全超導(dǎo)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(dòng)冷卻等。另外，還要不斷優(yōu)化等離子體控制技術(shù)。而這些技術(shù)都在本次 EAST 的實(shí)驗(yàn)上得以成功應(yīng)用和驗(yàn)證。
史善爽表示，聚變可行性的背后有著關(guān)鍵技術(shù)的支撐，這說(shuō)明我們的方向是對(duì)的。再往后，我們還有下一代中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆 CFETR 和國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆 ITER，這兩個(gè)裝置體量更大，相同技術(shù)也會(huì)得到更具突破性的成就。屆時(shí)，距離聚變能源的終極目標(biāo)也就越來(lái)越近了。
實(shí)驗(yàn)成功后，前文的閆廣厚在社交媒體寫(xiě)了一篇文章，他寫(xiě)道：“前路依然漫漫，盤(pán)點(diǎn)核聚變有一個(gè)著名的 ‘勞遜判據(jù)’，簡(jiǎn)而言之就是核聚變發(fā)電能都實(shí)現(xiàn)，這主要得看等體溫度、密度和約束時(shí)間三項(xiàng)。本次實(shí)驗(yàn)，不管是溫度還是約束時(shí)間都是非常高的。當(dāng)然，密度現(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在 10 的 19 次方這個(gè)量級(jí)。所以，意義有，但距離還遠(yuǎn)?！?/span>
發(fā)明 “人造太陽(yáng)” 去干預(yù) “不穩(wěn)定”
核聚變能具有資源豐富、無(wú)碳排放和清潔安全等優(yōu)點(diǎn)，因此它是人類(lèi)未來(lái)理想的清潔能源之一，還可為碳中和作出重要貢獻(xiàn)。
眾所周知，太陽(yáng)能發(fā)出能量，這種能量來(lái)自氫原子核，氫原子核之間會(huì)發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生核聚變，進(jìn)而釋放光和熱。但是不是每天都有太陽(yáng)，因此這種能量并不穩(wěn)定。
天氣是不可抗力，我們無(wú)法干預(yù)。但是模仿上述原理，發(fā)明一個(gè) “人造太陽(yáng)” 去干預(yù)這種 “不穩(wěn)定”，正是人類(lèi)的智慧所在。
要想獲得無(wú)限清潔的能源，“人造太陽(yáng)” 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(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在該裝置上把氘氚的聚變?nèi)剂?，加熱到幾億攝氏度，即可發(fā)生大量熱核聚變反應(yīng)，并且是受控制的反應(yīng)。
原理已經(jīng)弄清楚，但是要想實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，所面臨的兩個(gè)難題也和原理息息相關(guān)：即如何長(zhǎng)期穩(wěn)定地控制熱核聚變反應(yīng)？以及如何實(shí)現(xiàn)上億攝氏度點(diǎn)火？
其中，上億度等離子體的長(zhǎng)時(shí)間維持尤為困難，這需要將諸多要素進(jìn)行高度集成和有機(jī)結(jié)合，如上億度等離子體與 - 269℃ 超導(dǎo)磁體、高熱負(fù)荷等離子體與壁材料相互作用、動(dòng)態(tài)精密控制等多項(xiàng)極端條件。由于難度過(guò)大，此前國(guó)際上超過(guò) 1 億攝氏度的等離子體運(yùn)行最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間只有 20 秒。
而本此成果也是 EAST 裝置首次在國(guó)際上采用全金屬主動(dòng)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(guān)鍵技術(shù)，也就是說(shuō)本次成果驗(yàn)證了未來(lái)聚變堆必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。
作為磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，EAST 裝置具備與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）類(lèi)似的加熱方式和偏濾器結(jié)構(gòu)的，也是全球唯一一個(gè)和 ITER 類(lèi)似的裝置。
它還是唯一能在百秒量級(jí)條件上全面演示和驗(yàn)證 ITER 未來(lái) 400 秒科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)裝置。其所取得的系列成果，將為中國(guó)自主建造聚變工程實(shí)驗(yàn)堆提供堅(jiān)實(shí)科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。
但是，很多人只熟悉 EAST 如今輝煌，卻鮮少知道立項(xiàng)之初的艱辛，這里灑滿了上一輩科學(xué)家的心血。
“十年磨劍終成器，聚變曙光耀東方”
1998 年，國(guó)家發(fā)改委委員會(huì)批準(zhǔn)立項(xiàng) EAST，中科院等離子體物理研究所耗時(shí)十年辛勤耕耘。最終在 2007 年 3 月 1 日，作為“九五” 期間的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，EAST 正式竣工。
當(dāng)時(shí)驗(yàn)收 EAST 的是該項(xiàng)目的總負(fù)責(zé)人、中國(guó)工程院院士萬(wàn)元熙，他對(duì)媒體表示，與國(guó)外同類(lèi)裝置相比，該團(tuán)隊(duì)已建成的裝置使用資金最少、建設(shè)速度最快、自主創(chuàng)新最多。

中科院原院長(zhǎng)、中科院院士白春禮在竣工致辭中評(píng)價(jià)稱：“十年磨劍終成器，聚變曙光耀東方?！?/strong>
萬(wàn)元熙生于 1939 年，EAST 驗(yàn)收時(shí)他已經(jīng) 68 歲，早在幾十年前，萬(wàn)元熙曾參加過(guò)托卡馬克的國(guó)際會(huì)議，他曾回憶稱：“以前我們與發(fā)達(dá)國(guó)家有很大差距，出國(guó)口袋里沒(méi)有一點(diǎn)錢(qián)，根本談不上社交”。而當(dāng)初向國(guó)家提出建造先進(jìn) EAST 計(jì)劃時(shí)，這一想法頗為時(shí)髦，但他說(shuō)：“我提出很多大膽的改革思路，年輕人說(shuō)我不像是位老同志。我引領(lǐng)‘新潮流’，是所里第一個(gè)貸款買(mǎi)車(chē)的?！?/span>
20 世紀(jì) 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(xué)家們一般使用圓截面來(lái)制作托卡馬克裝置，而萬(wàn)元熙做了一個(gè)冒險(xiǎn)的決定，要做全超導(dǎo)、非圓截面的托卡馬克。
他說(shuō)：“我的冒險(xiǎn)有理論根據(jù)。一是世界上已經(jīng)有模型線圈作了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，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(lái)降低超導(dǎo)托卡馬克對(duì)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(guò)，但即使前面只有一條小路，人也能夠通過(guò)，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(guó)際聚變能會(huì)議上，萬(wàn)元熙作了題為《EAST 項(xiàng)目進(jìn)展概況及未來(lái)規(guī)劃》的開(kāi)幕演講，介紹了 EAST 的相關(guān)成績(jī)。
來(lái)自美國(guó)的 Goldstone 教授也參加了該會(huì)議，以往類(lèi)似場(chǎng)合他都坐在第一排，經(jīng)常在專家演講結(jié)束后提出尖銳問(wèn)題。但這次他站起來(lái)并表示：“我建議我們?nèi)w起立，為中國(guó)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(jī)負(fù)責(zé)人，他畢業(yè)于華中工學(xué)院（現(xiàn)華中科技大學(xué)）光學(xué)工程專業(yè)，依靠自學(xué)開(kāi)始研究聚變實(shí)驗(yàn)裝置，并在 20 世紀(jì) 90 年代伊始參與建造了中國(guó)首個(gè)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目，所領(lǐng)導(dǎo)到院里匯報(bào)工作有年輕人他們就高興，如果只是所領(lǐng)導(dǎo)自己，院領(lǐng)導(dǎo)就苦臉相對(duì)。我介入裝置總體設(shè)計(jì)，跟著霍裕平、萬(wàn)元熙、翁佩德幾位老領(lǐng)導(dǎo)跑，他們都比我大 20 歲左右。我參加了院里及國(guó)家組織的幾十次項(xiàng)目方案論證，我作總體方案這部分報(bào)告。有關(guān)部委領(lǐng)導(dǎo)看了 HT-7U（EAST 原名）都說(shuō)，項(xiàng)目本身不錯(cuò)，但工程要持續(xù)那么久能否做到后續(xù)有人？大科學(xué)工程給了我成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)，我感謝老同志對(duì)我的信任和培養(yǎng)?！?/span>
最初他們提出用 2000 萬(wàn)美元建造 EAST，國(guó)內(nèi)外很多專家紛紛表示質(zhì)疑，多少次方案匯報(bào)和論證都是在 “爭(zhēng)吵” 中度過(guò)，但這些 “不順” 反而歷練了武松濤。
EAST 各個(gè)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，早已清晰鐫刻在 EAST 團(tuán)隊(duì)成員的大腦中。沒(méi)有記錄，就沒(méi)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(shè)計(jì)的文集，序言由他親自撰寫(xiě)，其一是為了記錄工作，其二是希望給后來(lái)者留下參考文獻(xiàn)。
EAST 中含有 600 多個(gè)絕緣子，萬(wàn)元熙曾打比方說(shuō)，這些絕緣子好比人腦中的毛細(xì)血管，一個(gè)破裂沒(méi)準(zhǔn)就會(huì)腦癱瘓。當(dāng)時(shí)他們的絕緣子技術(shù)還不夠熟悉，武松濤雖然早年在國(guó)外參觀過(guò)托卡馬克的絕緣子，但外國(guó)團(tuán)隊(duì)不愿透露研制技術(shù)。彼時(shí)的絕緣子也貴得離譜，一個(gè)就要 1400~1600 美金，算下來(lái) EAST 光絕緣子造價(jià)，就得 90 萬(wàn)美金左右。
他們一開(kāi)始想使用 T-7 裝置卸下來(lái)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(mǎi)來(lái)的。蘇聯(lián)解體前夕，俄羅斯庫(kù)爾恰托夫研究所所長(zhǎng)卡多姆采夫（Kadomtsev）寫(xiě)信給時(shí)任核工業(yè)西南物理研究院院長(zhǎng)李正武，稱愿通過(guò)國(guó)際合作方式，將價(jià)值 1500 萬(wàn)美元的 T-7 裝置贈(zèng)送給中國(guó)，該信被轉(zhuǎn)交到時(shí)任合肥等離子體所所長(zhǎng)的霍裕平所長(zhǎng)。
當(dāng)時(shí)，該所領(lǐng)導(dǎo)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(jì)比較困難，但全所主要人力、財(cái)力都投入到 T-7 裝置的改造上，并最終改造出當(dāng)時(shí)中國(guó)第一個(gè)、世界第四個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置，即前文提到的合肥超環(huán)（HT-7）。
說(shuō)回 EAST 的絕緣子，如果使用俄羅斯 T-7 卸下來(lái)的，陶瓷材料不符合 EAST 的要求。本想找國(guó)內(nèi)合作伙伴做絕緣材料，但是考慮到經(jīng)濟(jì)效益，沒(méi)有人愿意接。
當(dāng)時(shí) EAST 團(tuán)隊(duì)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(shí)踐中摸索著干?！?因?yàn)槌晒β瘦^高，他還申請(qǐng)了專利，他說(shuō)：“對(duì)外說(shuō)我們的成功率達(dá)到 90%，人家一般不相信，怎么可能那么高呢？我還沒(méi)好意思跟他們說(shuō)，我們的成功率甚至高達(dá) 99% 呢！”

此外，在當(dāng)時(shí) EAST 總工藝師高大明的指導(dǎo)下，CICC 生產(chǎn)線的建成也為 EAST 的超導(dǎo)磁體繞制、超導(dǎo)磁體實(shí)驗(yàn)等奠定了基礎(chǔ)。負(fù)責(zé)主抓 EAST 質(zhì)量的他曾說(shuō)：“我們的學(xué)生在國(guó)外，別人問(wèn)起 EAST 怎么做，他完全可以應(yīng)答如流。過(guò)去發(fā)達(dá)國(guó)家與我們合作純粹是為了省點(diǎn)加工費(fèi)用，現(xiàn)在我們 EAST 的整套經(jīng)驗(yàn)對(duì)它們有用。”

高大明所講的“應(yīng)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(ài)用文字記錄科研歷程，這樣來(lái)看武松濤之前擔(dān)心的 “后繼無(wú)人” 似乎并未出現(xiàn)。
在文章中，閆廣厚驕傲寫(xiě)道：“很多人都知道核聚變需要 50 年才能實(shí)現(xiàn)的這個(gè)‘梗’，其實(shí)隨著國(guó)家這些年的不斷投入，以及更多的裝置落地實(shí)現(xiàn)，真的有種感覺(jué)，永遠(yuǎn)的 50 年正在變?yōu)?49 年...... 也許中國(guó)核聚變實(shí)現(xiàn)之時(shí)，就是世界風(fēng)云變化之日。”

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