深圳特區(qū)報(bào)2019年7月17日訊 （記者李劍輝 王劍鋒 李麗 秦綺蔚/文 何龍 邢峻豪/圖）人造太陽，不是掛在天空，而是以超導(dǎo)磁場(chǎng)約束，通過波加熱，讓等離子氣體達(dá)到上億度的高溫，發(fā)生聚變的大科學(xué)裝置，就像太陽一樣，為人類提供源源不斷的能量。

在合肥的科學(xué)島上，中國的“人造太陽”——“東方超環(huán)”率先實(shí)現(xiàn)一億度的超高溫，實(shí)現(xiàn)了101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，在聚變這個(gè)全球競(jìng)爭(zhēng)的科學(xué)頂峰攀登賽中，一直保持著領(lǐng)先。中國的目標(biāo)，是點(diǎn)亮人類核聚變的第一盞燈。

“聚變是全人類的夢(mèng)想?！边@是李建剛對(duì)中國力量采訪組說的第一句話。

李建剛是中國工程院院士，中國磁約束聚變專家委員會(huì)召集人，曾任中國科學(xué)院等離子體物理研究所所長(zhǎng)，在合肥西郊的科學(xué)島上深耕近40年，致力于核聚變研究，是國家重大科學(xué)工程“EAST超導(dǎo)托卡馬克聚變裝置”輔助加熱系統(tǒng)的負(fù)責(zé)人。EAST裝置也被稱為“東方超環(huán)”，是我國自主設(shè)計(jì)建造的、世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

簡(jiǎn)單說來，因?yàn)檫@個(gè)裝置的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)億度超高溫的核聚變，其能量爆發(fā)與太陽類似，也被稱為人造太陽。目前EAST已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電子溫度1億度的超高溫并持續(xù)幾秒鐘。

控制大廳的外墻上，掛著8塊牌子，其中兩塊是“國際聚變能聯(lián)合中心”“世界實(shí)驗(yàn)室核聚變中心”?！翱茖W(xué)無國界，核聚變研究可能是全世界科學(xué)家合作最好的一件事。”李建剛說。

一筆劃算的買賣：400萬物資換來T7

核聚變是全世界能源發(fā)展的前沿方向，簡(jiǎn)單說就是質(zhì)量小的原子，主要是指氘，在超高溫高壓下碰撞，發(fā)生互相聚合，生成新的質(zhì)量更重的原子核，比如氦。前蘇聯(lián)科學(xué)界發(fā)明了托卡馬克后，在1958年對(duì)全世界解密，包括中國在內(nèi)的多個(gè)國家都陸續(xù)開展了對(duì)該領(lǐng)域的研究。

一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，讓中國的托卡馬克有了飛躍的機(jī)遇。

“上世紀(jì)90年代，在前蘇聯(lián)解體之前，蘇聯(lián)人打算把一個(gè)T7的半超導(dǎo)裝置贈(zèng)送給其他國家，然后他們自己做一個(gè)更大的。我們的老所長(zhǎng)霍裕平對(duì)蘇聯(lián)專家說，那就送給我們吧。這件事成為中國聚變史上的一個(gè)佳話，我們用價(jià)值400萬人民幣的生活物資，換了前蘇聯(lián)價(jià)值1800萬盧布的T7裝置。”事情雖然已經(jīng)過去很久了，但講起這件事，李建剛還是很興奮。現(xiàn)在，ESAT大廳門口還擺放著已經(jīng)退役的T7，一米多高，像一個(gè)環(huán)形穿插進(jìn)方塊里。

有了T7，所里就用這個(gè)裝置來學(xué)習(xí)吸收消化，拆解一遍，裝上一遍，再拆解一遍，“這樣大家就知道，原來托卡馬克是這樣的啊?！比舷慢R心努力，三年半之后，組裝出了自己的托卡馬克——合肥超環(huán)HT-7，而且比蘇聯(lián)的T7好很多：T7能做到1000萬度大概幾秒鐘，而合肥超環(huán)可以做到1200萬度持續(xù)400多秒。

不過，基于當(dāng)時(shí)的條件，很多部件都無法實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)，有時(shí)還要請(qǐng)俄羅斯專家來檢修。有一次，請(qǐng)來一位俄羅斯專家，下午5點(diǎn)多乘飛機(jī)抵達(dá)，那位專家先是要吃飯、要喝酒，后來又說累了要休息，全所上下幾百人就眼睜睜地等著他休息好?！皬哪菚r(shí)起，我們就下定決心，最關(guān)鍵的技術(shù)部分，一定要百分之百國產(chǎn)化?！?/p>

一只“科幻蜘蛛”：與EAST親密接觸

實(shí)現(xiàn)核聚變，半超導(dǎo)還不夠，一定要做全超導(dǎo)，世界各國的科學(xué)家都在朝這個(gè)方向努力，包括美國、韓國、日本、美國、印度等。經(jīng)過10年的努力，中國科學(xué)院等離子體物理研究所于2006年建成了全超導(dǎo)的東方超環(huán)，并且關(guān)鍵的技術(shù)部分實(shí)現(xiàn)了百分之百國產(chǎn)！

采訪組到達(dá)時(shí)，正是東方超環(huán)的實(shí)驗(yàn)季，不過，采訪組的運(yùn)氣很好，當(dāng)天早上，正好碰上EAST短暫的停機(jī)檢測(cè)，采訪組也有機(jī)會(huì)近距離和東方超環(huán)親密接觸。

EAST控制大廳的外形像是一個(gè)巨大的圓形太空艙，科幻感十足。經(jīng)過兩道閘門后，刷卡進(jìn)入一個(gè)密閉的空間，我們見到了EAST的真容。

EAST給人的第一印象像是未來的機(jī)器蜘蛛，整個(gè)裝置重量約400多噸，中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導(dǎo)磁體，由D形的超導(dǎo)線圈圍成的，實(shí)驗(yàn)時(shí)，超導(dǎo)形成的磁約束，讓等離子體成為懸在空中的一團(tuán)火球，不斷加熱，達(dá)到上億度的超高溫。周邊的高功率波加熱、中性束注入、低溫制冷、高功率電源、等離子體診斷、遙操作維護(hù)等系統(tǒng)像是伸出來的“腿”，支撐在大型超導(dǎo)磁體周圍。抬頭向上看去，一面五星紅旗矗立在EAST頂部。

在EAST前方，還展示了一些我國創(chuàng)新制造的部件，包括超導(dǎo)線、石墨瓦、鎢銅部件、高壓絕緣套筒與法蘭，以及世界最高參數(shù)的68KA超導(dǎo)高溫電流引線等，這些都是EAST能夠成功運(yùn)行的基礎(chǔ)。

所里的技術(shù)人員把實(shí)驗(yàn)一次叫“放一炮”，在EAST控制大廳里的超大屏幕上顯示著一個(gè)數(shù)字：87068，這意味著EAST已經(jīng)放電87068次。實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩道閘門關(guān)閉，室外警報(bào)響起，隨著實(shí)驗(yàn)人員輸入各種參數(shù)，大屏幕上開始倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)歸零時(shí)，EAST開始加熱，磁約束下的那團(tuán)氣體的影像會(huì)出現(xiàn)在大屏幕上，周邊是熾熱的紅黃色，中間是黑色。黑色，意味著達(dá)到了一億度的超高溫。幾秒后，火焰消失，一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

一項(xiàng)研究衍生多項(xiàng)科技成果：有望實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)質(zhì)子治療

核聚變研究中應(yīng)用的各方技術(shù)都代表著目前人類科技的最高水平，這些技術(shù)一旦轉(zhuǎn)化到其它產(chǎn)業(yè)中，也會(huì)帶來巨大的提升，為全人類服務(wù)。

“超導(dǎo)的一個(gè)最常見的應(yīng)用就是平常我們?nèi)タ床〉暮舜殴舱?。”李建剛說，“現(xiàn)在人們?nèi)ヅ钠幼詈玫脑O(shè)備磁場(chǎng)才1.5個(gè)特斯拉，未來核磁共振可以做到10個(gè)特斯拉。1.5特斯拉和10個(gè)特斯拉是什么概念？就是能把發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞的精度提高十倍、二十倍，如果要?dú)⑺腊┘?xì)胞，再加入一個(gè)加速器的技術(shù)。”

等離子體所正在開展超導(dǎo)質(zhì)子治癌項(xiàng)目，大約5年的時(shí)間內(nèi)，他們有望研發(fā)出一款新設(shè)備，可以實(shí)施精確放療，讓老百姓治療癌癥的價(jià)格大幅下降。目前，類似的設(shè)備大都依賴進(jìn)口，使用不僅要排隊(duì)，而且價(jià)格高昂，治療費(fèi)用對(duì)普通家庭而言難以承受。

“聚變的副產(chǎn)品就是海水淡化和氫。加熱的海水，高溫后汽化，最后冷卻回來自然就實(shí)現(xiàn)淡化了，而高溫產(chǎn)生的氫，可以提供大量的清潔能源。可以說，把聚變中的這些技術(shù)用到國民經(jīng)濟(jì)上，能夠把我們的生活質(zhì)量大幅提高?！?/p>

核聚變，就像當(dāng)年的信息革命、半導(dǎo)體革命，一旦能夠?qū)崿F(xiàn)，整個(gè)人類社會(huì)都會(huì)發(fā)生革命性的變化。

科技革命往往也會(huì)伴隨著擔(dān)憂和質(zhì)疑的聲音：又是核、又是高溫，會(huì)不會(huì)不安全？

“非常安全！”李建剛說，“我們實(shí)驗(yàn)了20多萬次，失敗也有幾萬次，最多的損傷就是那團(tuán)火球偏了，燒了內(nèi)壁。因?yàn)椋坏┏霈F(xiàn)情況，我們可以實(shí)現(xiàn)瞬間降溫、停止聚變，火球又變成氣體，基本沒有衍生災(zāi)害?！?/p>

在采訪當(dāng)日，EAST超導(dǎo)托卡馬克團(tuán)隊(duì)的一個(gè)新成果在線發(fā)表在國際權(quán)威物理期刊Physical Review Letters（《物理評(píng)論快報(bào)》）上，在托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置中，高約束等離子體的邊界區(qū)域會(huì)周期性地爆發(fā)出一種稱為邊界局域模（ELM）的不穩(wěn)定性，大幅度ELM類似太陽耀斑爆發(fā)。在前期成功探索、實(shí)現(xiàn)了雜草型小幅度邊界局域模（Grassy ELM）運(yùn)行的基礎(chǔ)上，EAST超導(dǎo)托卡馬克團(tuán)隊(duì)揭示了Grassy ELM產(chǎn)生的物理機(jī)制，進(jìn)而利用這種自發(fā)的高頻小幅度Grassy ELM，發(fā)展出了一種高性能穩(wěn)態(tài)等離子體運(yùn)行模式，并系統(tǒng)驗(yàn)證了其與未來聚變堆若干運(yùn)行條件的兼容性。

一百億投入的背后：全球科學(xué)家協(xié)力合作

“通過聚變，一升海水就可以提供300升汽油的能量，而且，海水基本是取之不竭的。但是，要讓核聚變成為主要的能源還十分困難。”李建剛說。

難在哪里？它需要同時(shí)滿足三個(gè)條件，首先要有億度級(jí)的超高溫，其次是高溫要有足夠的持續(xù)時(shí)間，第三是持續(xù)產(chǎn)生高溫這個(gè)過程必須可控。“這不是單靠某一個(gè)科學(xué)家的智慧能夠解決的，必須要全世界的科學(xué)家聯(lián)合起來做?！崩罱▌傉f。

一個(gè)上億度的火球，現(xiàn)在最多只能做到持續(xù)幾秒鐘，離實(shí)現(xiàn)持續(xù)24小時(shí)、365天還有遙遠(yuǎn)的距離?，F(xiàn)在的材料，幾百上千度就化了，上億度的高溫，對(duì)材料、對(duì)控制都有著極高的要求。

“超導(dǎo)材料的需求是百噸計(jì)的，過去，我們國家一年只能生產(chǎn)出幾十公斤，而現(xiàn)在，一家生產(chǎn)商一年就可以供應(yīng)數(shù)百噸。但是，聚變下一步所需要的材料，是現(xiàn)在性能的數(shù)倍以上，目前很多材料和技術(shù)還無法滿足下一步實(shí)驗(yàn)的要求。”

核聚變需要諸多尖端科學(xué)領(lǐng)域的合作。實(shí)現(xiàn)之后還有工業(yè)化的過程，作為能源產(chǎn)品，還要做到足夠便宜。

“這不是短時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)的，可能需要幾十年，大規(guī)模經(jīng)濟(jì)應(yīng)用可能還要上百年，這也是全球科學(xué)家在這件事上可以合作的原因?！?/p>

中國加入了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃，這是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一，ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克，參與計(jì)劃的七方有中國和歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國，包括了全世界主要的核國家，覆蓋的人口接近全球一半，中國在這一計(jì)劃中要投入100億人民幣。參與計(jì)劃科學(xué)家的平臺(tái)、技術(shù)和發(fā)現(xiàn)是共享的。

在EAST控制大廳，我們見到了不少外國科學(xué)家，李建剛介紹說，上個(gè)月的某一周，EAST全部實(shí)驗(yàn)是中美聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，有幾十位美國科學(xué)家加入進(jìn)來。美國的DIII-D裝置也有差不多一個(gè)星期的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)?！暗较乱恢芪覀冞€會(huì)采取第2輪國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)?！?/p>

聯(lián)合實(shí)驗(yàn)也叫THIRD SHIFT，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室是異地的，通過網(wǎng)絡(luò)，在圣地亞哥、在MIT、在普林斯頓就能參加EAST的實(shí)驗(yàn)?！霸贓AST，一般白天是中國科學(xué)家，到了下午，就換成歐洲科學(xué)家，等到半夜，就是美國科學(xué)家。通過網(wǎng)絡(luò)，全世界的科學(xué)家都能參與其中。”前面看到的世界最高參數(shù)的68KA超導(dǎo)高溫電流引線，就是我國提供給ITER的。

一座新實(shí)驗(yàn)堆的愿景：在中國點(diǎn)亮核聚變的第一盞燈

“中國是最有可能率先實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電的國家。”李建剛說。

“首先，中國有14億人口，而我們的人均能耗只有美國的1/6，我們的需求是巨大的。第二就是中國有體制優(yōu)勢(shì)，這十幾年來，中國的發(fā)展速度舉世矚目，因?yàn)橹袊梢詧?jiān)定地實(shí)施中長(zhǎng)期的規(guī)劃，可舉國之力辦大事?！?/p>

歐美的科學(xué)家，單兵作戰(zhàn)能力強(qiáng)過中國科學(xué)家，但多人集團(tuán)作戰(zhàn)，就是中國科學(xué)家的優(yōu)勢(shì)，而聚變，恰恰是一個(gè)需要眾多人才長(zhǎng)期努力的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，中國在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)可能是全世界其他國家都沒有的。

目前，從全球來看，EAST一直處于領(lǐng)先位置，但我國不僅僅滿足于此，正在醞釀一個(gè)更大的計(jì)劃。

李建剛告訴記者，在科技部的支持下，他們正在籌劃建設(shè)一個(gè)新的聚變實(shí)驗(yàn)堆，其規(guī)模要超過目前的ITER，“目前正在設(shè)計(jì)階段，有100多個(gè)單位、近800名科學(xué)家參與，希望5年能完成設(shè)計(jì)，建設(shè)要用10年的時(shí)間?！?/p>

目前ITER的功率是50萬千瓦，我國未來的新實(shí)驗(yàn)堆將實(shí)現(xiàn)200萬千瓦，聚變功率大4倍。ITER并不能發(fā)電，而我們的新實(shí)驗(yàn)堆將具有發(fā)電功能?！八?，我們非常有信心地說，人類核聚變點(diǎn)亮的第一盞燈，一定會(huì)在中國?！?/p>