中國(guó)“人造太陽(yáng)”誕生記

中國(guó)“人造太陽(yáng)”誕生記有一部小說(shuō)叫《中國(guó)太陽(yáng)》，講的是農(nóng)村小伙水娃不斷奮斗，借助“中國(guó)太陽(yáng)”工程成為深空宇宙開(kāi)拓者，為人類(lèi)解決能源問(wèn)題的故事?，F(xiàn)實(shí)中，中國(guó)真的有“人造太陽(yáng)”，而且有兩個(gè)：一個(gè)在安徽合肥西郊“科學(xué)島”上的中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院內(nèi)，是有著“東方超環(huán)”之稱(chēng)的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）;另一個(gè)則是位于四川成都中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院的中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）。2021年5月28日，“東方超環(huán)”再次刷新了世界紀(jì)錄：在其第98958次放電中，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，是1億攝氏度20秒原紀(jì)錄的5倍。這意味著我們距離“人造太陽(yáng)”的夢(mèng)想又近了一步，標(biāo)志著我國(guó)在穩(wěn)態(tài)高參數(shù)磁約束聚變研究領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)引領(lǐng)國(guó)際前沿。用羽絨服、牛仔褲等生活物資換來(lái)托卡馬克制造“人造太陽(yáng)”面臨一個(gè)突出的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：用什么容器來(lái)承載核聚變？要在地球上利用核聚變能量，在人工控制條件下等離子體的離子溫度需達(dá)到1億攝氏度以上，而目前地球上最耐高溫的金屬材料鎢的熔化溫度約為3000攝氏度。這意味著，找不到盛裝如此高溫等離子體的容器。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，我國(guó)與國(guó)際基本同步，開(kāi)始了在可控核聚變領(lǐng)域的研究，并于1965年在四川樂(lè)山建成了我國(guó)核聚變研究基地——西南物理研究所（今中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院）。當(dāng)時(shí)，國(guó)際上不同的技術(shù)路線(xiàn)此消彼長(zhǎng)，最終蘇聯(lián)科學(xué)家提出的托卡馬克方案異軍突起，國(guó)際核聚變界的重點(diǎn)研究方向隨之轉(zhuǎn)向了托卡馬克。20世紀(jì)70年代，國(guó)家擬在合肥建造一個(gè)當(dāng)時(shí)世界先進(jìn)水平的大型熱核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置。選擇合肥的一個(gè)重要原因是，中科院電工所已于20世紀(jì)60年代在合肥建成一個(gè)儲(chǔ)能達(dá)到2億焦耳的大型儲(chǔ)能電感裝置（又稱(chēng)為“八號(hào)電感”）。此電感裝置能為熱核聚變裝置的強(qiáng)大脈沖電源提供重要支持。當(dāng)時(shí)策劃中的托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置就被命名為“八號(hào)裝置”，向國(guó)家申請(qǐng)立項(xiàng)的大科學(xué)工程項(xiàng)目就被稱(chēng)為“八號(hào)工程”。20世紀(jì)90年代，我國(guó)用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換了蘇聯(lián)價(jià)值1800萬(wàn)盧布的T-7的半超導(dǎo)托卡馬克裝置。當(dāng)時(shí)，經(jīng)濟(jì)情況非常困難，我國(guó)科研人員只能依靠自己的力量，對(duì)T-7及其低溫系統(tǒng)進(jìn)行了根本性改造。通過(guò)科研人員的不懈努力，先后建成常規(guī)磁體托卡馬克HT-6B、HT-6M等實(shí)驗(yàn)裝置。1994年，我國(guó)第一個(gè)圓截面超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“合肥超環(huán)”（HT-7）研制成功，使我國(guó)成為繼俄羅斯、法國(guó)、日本之后第四個(gè)擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國(guó)家，也是我國(guó)建成并投入運(yùn)行的首個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置。1997年11月17日，中國(guó)科學(xué)院在合肥召開(kāi)HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置鑒定會(huì)，鑒定委員會(huì)對(duì)建設(shè)HT-7裝置的決策和工程設(shè)計(jì)研制及兩年多的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)情況給予高度評(píng)價(jià)。HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置與我國(guó)年輕的聚變?nèi)艘黄鹱哌^(guò)了十幾個(gè)春秋，期間完成了第10萬(wàn)次放電。2013年5月，HT-7正式被中國(guó)科學(xué)院和原環(huán)保部批準(zhǔn)退役，成為我國(guó)首個(gè)獲批退役的大科學(xué)工程裝置。HT-7是一個(gè)傳奇、一段歷史，也是中國(guó)磁約束聚變研究走向世界前沿的見(jiàn)證。邊設(shè)計(jì)、邊研發(fā)，“人造太陽(yáng)”在中國(guó)點(diǎn)亮1998年7月，國(guó)家“九五”重大科學(xué)工程“HT-7U超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置”（2003年更名為EAST）正式立項(xiàng)。2000年10月，EAST正式開(kāi)工建設(shè)?！癊AST最大的創(chuàng)新點(diǎn)，是把全超導(dǎo)和非圓截面結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)和以先進(jìn)模式運(yùn)行的等離子體，使研究人員能在穩(wěn)態(tài)條件下對(duì)約束改善、破裂控制、粒子輸運(yùn)、能量平衡、功能材料和雜質(zhì)控制等實(shí)現(xiàn)聚變堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所必須面對(duì)的重大物理問(wèn)題進(jìn)行深入研究?！痹诋?dāng)時(shí)的EAST大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)軍人物萬(wàn)元熙院士看來(lái)，物理上的先進(jìn)性，必將帶來(lái)工程上的巨大挑戰(zhàn)。在20世紀(jì)90年代末，中國(guó)聚變工程技術(shù)和超導(dǎo)工業(yè)十分薄弱，沒(méi)有研制大型超導(dǎo)磁體、大型低溫系統(tǒng)的經(jīng)歷，國(guó)際上尚沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家研制和建造過(guò)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。萬(wàn)元熙院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)揚(yáng)“沒(méi)有條件創(chuàng)造條件也要上”的精神，在簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成功制造出關(guān)鍵部件和設(shè)備，整個(gè)項(xiàng)目自研率達(dá)90%以上。“我們要在沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，造出一個(gè)需要同時(shí)承載大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)、超高溫、超低溫、高真空、高絕緣等復(fù)雜環(huán)境的裝置，這對(duì)工藝設(shè)計(jì)和材料提出了極高的要求，比如芯部的等離子體溫度高達(dá)1億攝氏度，線(xiàn)圈中的溫度卻要求達(dá)到零下269攝氏度，項(xiàng)目難度可見(jiàn)一斑?！敝锌圃旱入x子體物理研究所（下簡(jiǎn)稱(chēng)“等離子所”）所長(zhǎng)宋云濤介紹，為了達(dá)到聚變實(shí)驗(yàn)裝置所要求的條件，EAST團(tuán)隊(duì)的科學(xué)工作者自主創(chuàng)新，自主設(shè)計(jì)、研發(fā)了大部分具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)造性地完成了EAST裝置主機(jī)的總體工程設(shè)計(jì)。在研制EAST過(guò)程中，許多關(guān)鍵技術(shù)取得突破并達(dá)到國(guó)除先進(jìn)水平，同時(shí)也填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)空白：大型超導(dǎo)磁體關(guān)鍵制造技術(shù)的研發(fā)，成功地生產(chǎn)出了EAST所需的全部超導(dǎo)磁體；創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)、建成了國(guó)內(nèi)最大的大型超導(dǎo)磁體測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)、建造了我國(guó)最大的氦低溫系統(tǒng)?！癊AST裝置建設(shè)，瞄準(zhǔn)世界前沿，高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求地完成了國(guó)家大科學(xué)工程建設(shè)任務(wù)。同時(shí)，嚴(yán)格質(zhì)量管理，創(chuàng)新性地建立和運(yùn)行EAST質(zhì)量管理體系。”宋云濤說(shuō)。到2005年底，EAST完成了主機(jī)總裝以及各分系統(tǒng)的研制和安裝工作。2006年3月，成功進(jìn)行了首次工程調(diào)試。2006年9月26日，EAST首輪物理實(shí)驗(yàn)成功獲得高溫等離子體。歷經(jīng)8年艱苦奮斗和自主創(chuàng)新，世界上新一代全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置在中國(guó)率先建成并正式投入運(yùn)行，為未來(lái)清潔能源的利用和發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。2006年1月，EAST實(shí)現(xiàn)電子溫度超過(guò)5000萬(wàn)攝氏度，兩年后又實(shí)現(xiàn)電子溫度1億攝氏度等離子體運(yùn)行，而太陽(yáng)核心的溫度也不過(guò)1500萬(wàn)攝氏度。EAST性能逐步提升。2006年，首次等離子體放電成功，時(shí)長(zhǎng)僅僅3秒；2017年7月，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。2007年3月1日，國(guó)家發(fā)改委組織專(zhuān)家對(duì)EAST進(jìn)行竣工驗(yàn)收。專(zhuān)家們認(rèn)為，中國(guó)科研人員在國(guó)際上尚無(wú)全超導(dǎo)托卡馬克的情況下，邊建設(shè)、邊研發(fā)，解決了大型超導(dǎo)磁體、大規(guī)模低溫制冷等一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，自主設(shè)計(jì)、加工制造了關(guān)鍵部件，形成了一系列高新技術(shù)成果。時(shí)任國(guó)家發(fā)改委副主任張曉強(qiáng)在驗(yàn)收會(huì)上指出：EAST大科學(xué)工程全面、優(yōu)質(zhì)地完成建設(shè)任務(wù)，是我國(guó)科技界的一件大事，是中華民族值得驕傲的成就。從“科學(xué)島”到“世界聚變舞臺(tái)的中心”在安徽省會(huì)合肥市西郊，有一座面積不到3平方千米、三面環(huán)水的半島。這里就是中國(guó)核聚變最重要的研究基地——等離子所所在地。EAST也棲身于此。走進(jìn)EAST大廳，看到的是緊張有序的場(chǎng)景，本年度的等離子體物理實(shí)驗(yàn)即將開(kāi)啟，劍指新的世界紀(jì)錄。在對(duì)受控?zé)岷司圩兲剿鞯倪^(guò)程中，越來(lái)越多國(guó)家的科研人員認(rèn)識(shí)到，“人造太陽(yáng)”科學(xué)裝置規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)、投資成本高，任何一個(gè)國(guó)家“關(guān)起門(mén)來(lái)搞建設(shè)”都無(wú)法解決所有難題，必須“聚四海之氣、借八方之力”。1985年，美、蘇提出了國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃。但在2001年之前，這個(gè)“俱樂(lè)部”一直將我國(guó)拒之門(mén)外，其主要原因是我國(guó)的科研水平還不高，但隨著EAST研制工作推進(jìn)，這個(gè)局面逐漸改變。2001年，由于美國(guó)退出，ITER成員國(guó)出于分?jǐn)偨?jīng)費(fèi)的考慮，希望擴(kuò)大參與國(guó)的范圍。我國(guó)借此再次申請(qǐng)加入，2003年，正式以“平等伙伴”身份加入了ITER計(jì)劃談判——加入這個(gè)高“入門(mén)會(huì)費(fèi)”的“俱樂(lè)部”，每個(gè)成員國(guó)要至少承諾10%的投入，約合100億元人民幣?！凹尤隝TER計(jì)劃前，國(guó)際主流聚變會(huì)議上，幾乎沒(méi)有我們的聲音。如今，我國(guó)越來(lái)越多的學(xué)者獲邀在大會(huì)作主題報(bào)告、口頭報(bào)告，甚至擔(dān)任會(huì)議主席?！彼卧茲f(shuō)，加入ITER計(jì)劃后，我國(guó)逐漸走向世界聚變舞臺(tái)的中心。國(guó)際聚變能大會(huì)，是核聚變領(lǐng)域的奧林匹克。像宋云濤這樣的我國(guó)學(xué)者，曾經(jīng)是無(wú)緣進(jìn)場(chǎng)的。而今，等離子體所已連續(xù)10年被大會(huì)特邀作主題報(bào)告。這一領(lǐng)域的國(guó)際頂級(jí)雜志，連續(xù)多年都以封面故事形式介紹等離子體所年度研究工作。越來(lái)越多雙眼睛在關(guān)注這顆來(lái)自“島”上的“太陽(yáng)”。位于法國(guó)的ITER總部也正期待著中國(guó)“小太陽(yáng)”帶來(lái)更多的光和熱，把“人造太陽(yáng)”從夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。借助我國(guó)首個(gè)偏濾器位型的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（HL-2A）和EAST這兩個(gè)大科學(xué)裝置，我國(guó)與全球120多個(gè)聚變研究機(jī)構(gòu)建立了合作。每年平均有500人次國(guó)際專(zhuān)家訪(fǎng)問(wèn)我國(guó)，開(kāi)展與我國(guó)相關(guān)聚變研究機(jī)構(gòu)的合作研究?；仡欉^(guò)去，人類(lèi)認(rèn)識(shí)核聚變的路已經(jīng)走了很久。有人問(wèn)：“在我們的有生之年，能不能看到一個(gè)真正的‘人造太陽(yáng)？”中國(guó)工程院院士李建剛坦言，要將科研成果真正投入商用、變成每家每戶(hù)可以用的電，可能至少還需要幾十年，但他堅(jiān)信：“在我的有生之年，一定有一盞燈能被聚變之能點(diǎn)亮。這一盞燈，一定要，也只能在中國(guó)?！毖由扉喿x中國(guó)“人造太陽(yáng)”大事記1998年7月，通過(guò)國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)立項(xiàng)。2000年10月，正式開(kāi)工建設(shè)。2003年10月，HT-7U正式改名為EAST。2006年2月，首次工程調(diào)試成功。2006年9月，成功獲得首次高溫等離子體放電。2007年1月，成功獲得首次大拉長(zhǎng)偏濾器位型放電。2007年3月，通過(guò)國(guó)家竣工驗(yàn)收。2009年，成功獲得穩(wěn)定重復(fù)的60秒非圓截面雙零偏濾器位型等離子體放電。2010年，成功實(shí)現(xiàn)了大于60多倍能量約束時(shí)間高約束模式（H模）等離子體放電，100秒1500萬(wàn)攝氏度偏濾器長(zhǎng)脈沖等離子體放電。2012年，成功獲得超過(guò)400秒的2000萬(wàn)攝氏度高參數(shù)偏濾器等離子體；獲得穩(wěn)定重復(fù)超過(guò)30秒的高約束等離子體放電。20