1.2亿摄氏度燃烧101秒中国人造太阳创造新世界纪录自主聚变工程实验堆迈出坚实一步

　　来源： DeepTech深科技　

　　“朝着正确的方向，我相信很快 EAST 还会有 500 秒、1000 秒！” 谈及EAST 的最新成果，在国际热核聚变实验堆（ITER）总部从事研发工作的史善爽告诉 DeepTech。

图 | EAST 本次取得的成绩（来源：新华社）

　　5 月 28 日凌晨，中科院合肥物质科学研究院 EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）全超导托卡马克装置控制大厅传来喜讯，正在开展的第 16 轮 EAST 装置物理实验，实现了可重复的 1.2 亿度 101 秒等离子体运行、以及 1.6 亿度 20 秒等离子体运行，再次创造该实验装置的最新世界纪录。

图 | 5 月 28 日凌晨重大物理实验成果现场之一（来源：中科院等离子体物理研究所）

　　谈及为何在凌晨完成，参与本次研究的中科院等离子体物理研究所博士生闫广厚表示：“不是非要选在凌晨，是因为干到那时候了，都不愿意放弃，其实第二天白天再接着做也行。”

　　EAST 又叫 “东方超环”，2020 年 6 月 EAST 启动升级改造，如今历时一年其性能得以全面提升，并在物理实验中攻克了稳态高功率加热、非感应的高电流驱动、高精度等离子体实时控制、高热负荷等离子体与壁材料相互作用等系列技术难题。

图 | 5 月 28 日凌晨重大物理实验成果现场之二（来源：中科院等离子体物理研究所）

　　本次 1.2 亿度 101 秒等离子体运行的实现，将去年 EAST 物理实验实现的 1 亿度 20 秒的世界纪录提高了 5 倍，这说明 EAST 的综合研究能力获得重大突破，标志着中国在稳态高参数磁约束聚变研究领域开始引领国际前沿。

　图 | “人造太阳” 聚变反应堆内部热像（来源：中科院合肥物质科学研究院）

　　本次成果也进一步证明了核聚变能源的可行性，对此史善爽告诉 DeepTech，核聚变目前面临一项核心问题，就是如何稳定地把上亿度的反应持续进行。

　　在此前实验里，EAST 分别获得过一亿度等离子体和一百秒以上长脉冲运行这两项成绩，本次实验的意义在于同时实现一亿度和一百秒，而在一亿度这个量级上之前，聚变装置的运行记录是 20 秒。单从数据上看，这很明显是一种飞跃。

　　对于数据背后的意义，史善爽剖析称：20 世纪 90 年代，在部分聚变装置的高参数运行取得成果后，此后多年科学家们都致力于将这种高参数聚变反应加以稳定和持续。为此，聚变装置的磁体也从常规磁体、升级到超导磁体，而 EAST 就是全球首个全超导托卡马克。

图 | 中国 EAST “东方超环” 超导托卡马克装置（来源：中科院等离子体物理研究所）

　　此外，还需从材料等方面提高装置第一壁的耐热能力，比如采用钨铜偏滤器、增加主动冷却等。另外，还要不断优化等离子体控制技术。而这些技术都在本次 EAST 的实验上得以成功应用和验证。

　　史善爽表示，聚变可行性的背后有着关键技术的支撑，这说明我们的方向是对的。再往后，我们还有下一代中国聚变工程实验堆 CFETR 和国际热核聚变实验堆 ITER，这两个装置体量更大，相同技术也会得到更具突破性的成就。届时，距离聚变能源的终极目标也就越来越近了。

　图 | 史善爽在国际热核聚变堆的装配大厅（来源：受访者）

　　实验成功后，前文的闫广厚在社交媒体写了一篇文章，他写道：“前路依然漫漫，盘点核聚变有一个著名的 ‘劳逊判据’，简而言之就是核聚变发电能都实现，这主要得看等体温度、密度和约束时间三项。本次实验，不管是温度还是约束时间都是非常高的。当然，密度现在远远不够，在 10 的 19 次方这个量级。所以，意义有，但距离还远。”

　　发明 “人造太阳” 去干预 “不稳定”

　　核聚变能具有资源丰富、无碳排放和清洁安全等优点，因此它是人类未来理想的清洁能源之一，还可为碳中和作出重要贡献。

　　众所周知，太阳能发出能量，这种能量来自氢原子核，氢原子核之间会发生相互作用，从而产生核聚变，进而释放光和热。但是不是每天都有太阳，因此这种能量并不稳定。

　　天气是不可抗力，我们无法干预。但是模仿上述原理，发明一个 “人造太阳” 去干预这种 “不稳定”，正是人类的智慧所在。

　　要想获得无限清洁的能源，“人造太阳” 就得扛得住上亿摄氏度的超高温，还要控制氘（dāo）聚变和氚（chuān）聚变，从而让它们持续稳定地输出能量。

图 | 5 月 28 日凌晨重大物理实验成果后召开的晨会（来源：中科院等离子体物理研究所）

　　而制造托卡马克（Tokamak）环形容器，能利用磁约束来实现受控核聚变。科学家发现，在该装置上把氘氚的聚变燃料，加热到几亿摄氏度，即可发生大量热核聚变反应，并且是受控制的反应。

　　原理已经弄清楚，但是要想实现核聚变发电，所面临的两个难题也和原理息息相关：即如何长期稳定地控制热核聚变反应？以及如何实现上亿摄氏度点火？

　　其中，上亿度等离子体的长时间维持尤为困难，这需要将诸多要素进行高度集成和有机结合，如上亿度等离子体与 - 269℃ 超导磁体、高热负荷等离子体与壁材料相互作用、动态精密控制等多项极端条件。由于难度过大，此前国际上超过 1 亿摄氏度的等离子体运行最长持续时间只有 20 秒。

　图 | “氘 - 氚（D-T）” 的核聚变反应产生氦（He）与中子（n）并释放核能（来源：网络）

　　而本此成果也是 EAST 装置首次在国际上采用全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器、稳态高功率波加热、等离子体位形精密控制等关键技术，也就是说本次成果验证了未来聚变堆必须采用的关键技术。

　　作为磁约束核聚变实验装置，EAST 装置具备与国际热核聚变实验堆（ITER）类似的加热方式和偏滤器结构的，也是全球唯一一个和 ITER 类似的装置。

　　它还是唯一能在百秒量级条件上全面演示和验证 ITER 未来 400 秒科学研究的实验装置。其所取得的系列成果，将为中国自主建造聚变工程实验堆提供坚实科学技术基础。

　　但是，很多人只熟悉 EAST 如今辉煌，却鲜少知道立项之初的艰辛，这里洒满了上一辈科学家的心血。

　　“十年磨剑终成器，聚变曙光耀东方”

　　1998 年，国家发改委委员会批准立项 EAST，中科院等离子体物理研究所耗时十年辛勤耕耘。最终在2007 年 3 月 1 日，作为“九五” 期间的国家重大科技基础设施，EAST 正式竣工。

　　当时验收 EAST 的是该项目的总负责人、中国工程院院士万元熙，他对媒体表示，与国外同类装置相比，该团队已建成的装置使用资金最少、建设速度最快、自主创新最多。

　图 | 万元熙（来源：网络）

　　中科院原院长、中科院院士白春礼在竣工致辞中评价称：“十年磨剑终成器，聚变曙光耀东方。”

　　万元熙生于 1939 年，EAST 验收时他已经 68 岁，早在几十年前，万元熙曾参加过托卡马克的国际会议，他曾回忆称：“以前我们与发达国家有很大差距，出国口袋里没有一点钱，根本谈不上社交”。而当初向国家提出建造先进 EAST 计划时，这一想法颇为时髦，但他说：“我提出很多大胆的改革思路，年轻人说我不像是位老同志。我引领‘新潮流’，是所里第一个贷款买车的。”

　　20 世纪 50 年代，前苏联发明了托卡马克装置。后续几十年的发展中，科学家们一般使用圆截面来制作托卡马克装置，而万元熙做了一个冒险的决定，要做全超导、非圆截面的托卡马克。

　　他说：“我的冒险有理论根据。一是世界上已经有模型线圈作了相关实验，证明托卡马克可以承受一定量的快速磁通变化；二是物理上也有其他可采用的办法，能够用来降低超导托卡马克对其快速磁通变化的要求。就像是走路，如果前头是一面墙，人肯定穿越不过，但即使前面只有一条小路，人也能够通过，如果这面墙是纸糊的，人就很容易穿越。” 最终，EAST 选择了非圆截面。

　　2006 年 10 月，成都国际聚变能会议上，万元熙作了题为《EAST 项目进展概况及未来规划》的开幕演讲，介绍了 EAST 的相关成绩。

　　来自美国的 Goldstone 教授也参加了该会议，以往类似场合他都坐在第一排，经常在专家演讲结束后提出尖锐问题。但这次他站起来并表示：“我建议我们全体起立，为中国的 EAST 热烈鼓掌祝贺！”

　　现任 ITER 组织总装首席总工程师武松涛，是 EAST 的装置主机负责人，他毕业于华中工学院（现华中科技大学）光学工程专业，依靠自学开始研究聚变实验装置，并在 20 世纪 90 年代伊始参与建造了中国首个超导托卡马克实验装置合肥超环（HT-7）。

　图 | EAST 的装置主机负责人武松涛（来源：中科院合肥物质科学研究院）

　　合肥超环（HT-7）建成后，他也参与提出建造 EAST，其曾表示：“中科院希望能有年轻的科研人员参与项目，所领导到院里汇报工作有年轻人他们就高兴，如果只是所领导自己，院领导就苦脸相对。我介入装置总体设计，跟着霍裕平、万元熙、翁佩德几位老领导跑，他们都比我大 20 岁左右。我参加了院里及国家组织的几十次项目方案论证，我作总体方案这部分报告。有关部委领导看了 HT-7U（EAST 原名）都说，项目本身不错，但工程要持续那么久能否做到后续有人？大科学工程给了我成长的机会，我感谢老同志对我的信任和培养。”

　　最初他们提出用 2000 万美元建造 EAST，国内外很多专家纷纷表示质疑，多少次方案汇报和论证都是在 “争吵” 中度过，但这些 “不顺” 反而历练了武松涛。

　　EAST 各个关键部件的结构，早已清晰镌刻在 EAST 团队成员的大脑中。没有记录，就没有发生。为了让后辈有可参考的资料，从 1998 年到 2001 年，武松涛和同事每年出一本装置设计的文集，序言由他亲自撰写，其一是为了记录工作，其二是希望给后来者留下参考文献。

　　EAST 中含有 600 多个绝缘子，万元熙曾打比方说，这些绝缘子好比人脑中的毛细血管，一个破裂没准就会脑瘫痪。当时他们的绝缘子技术还不够熟悉，武松涛虽然早年在国外参观过托卡马克的绝缘子，但外国团队不愿透露研制技术。彼时的绝缘子也贵得离谱，一个就要 1400~1600 美金，算下来 EAST 光绝缘子造价，就得 90 万美金左右。

　　他们一开始想使用 T-7 装置卸下来的绝缘子，该装置是中科院合肥研究院等离子体所从俄罗斯买来的。苏联解体前夕，俄罗斯库尔恰托夫研究所所长卡多姆采夫（Kadomtsev）写信给时任核工业西南物理研究院院长李正武，称愿通过国际合作方式，将价值百科 1500 万美元的 T-7 装置赠送给中国，该信被转交到时任合肥等离子体所所长的霍裕平所长。

　　当时，该所领导班子果断决定接收 T-7 装置，1991 年双方签订协议，后面三年间虽然所里经济比较困难，但全所主要人力、财力都投入到 T-7 装置的改造上，并最终改造出当时中国第一个、世界第四个超导托卡马克装置，即前文提到的合肥超环（HT-7）。

　　说回 EAST 的绝缘子，如果使用俄罗斯 T-7 卸下来的，陶瓷材料不符合 EAST 的要求。本想找国内合作伙伴做绝缘材料，但是考虑到经济效益，没有人愿意接。

　　当时 EAST 团队的潘皖江只好自己上手干，他曾表示：“绝缘子前后研发了 3 年，自己做了两年。我们只能自力更生，在实践中摸索着干。” 因为成功率较高，他还申请了专利，他说：“对外说我们的成功率达到 90%，人家一般不相信，怎么可能那么高呢？我还没好意思跟他们说，我们的成功率甚至高达 99% 呢！”

　图 | EAST 内部结构（来源：网络）

　　此外，在当时 EAST 总工艺师高大明的指导下，CICC 生产线的建成也为 EAST 的超导磁体绕制、超导磁体实验等奠定了基础。负责主抓 EAST 质量的他曾说：“我们的学生在国外，别人问起 EAST 怎么做，他完全可以应答如流。过去发达国家与我们合作纯粹是为了省点加工费用，现在我们 EAST 的整套经验对它们有用。”

　图 | 着白 T 恤者为闫广厚（来源：新华社）

　　高大明所讲的“应答如流”，在闫广厚身上有着很好的体现，他目前是该所的一位 95 后博士生——和武松涛一样热爱用文字记录科研历程，这样来看武松涛之前担心的 “后继无人” 似乎并未出现。

　　在文章中，闫广厚骄傲写道：“很多人都知道核聚变需要 50 年才能实现的这个‘梗’，其实随着国家这些年的不断投入，以及更多的装置落地实现，真的有种感觉，永远的 50 年正在变为 49 年。。。。。。也许中国核聚变实现之时，就是世界风云变化之日。”

　图 | 中国科学院等离子体物理研究所（来源：闫广厚）

　　在那篇文章最后，闫广厚晒了好几张研究所的风景图，他希望更多 90后甚至 00 后可以像他一样，也来这里做中国核聚变。

原标题：1.2亿摄氏度燃烧101秒中国人造太阳创造新世界纪录自主聚变工程实验堆迈出坚实一步