“人造太陽”EAST： 向人類能源終極夢想邁進(jìn)

 

全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置 中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院供圖

 

我們要在沒有任何經(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、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。

 

宋云濤 中科院等離子體物理研究所所長

 

有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置5月28日取得新突破，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，創(chuàng)造托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。

 

地球萬物生長所依賴的光和熱，源于太陽核聚變反應(yīng)后釋放的能量。而支撐這種聚變反應(yīng)的燃料氘，在地球上的儲(chǔ)量極其豐富，足夠人類利用上百億年。

 

如果利用氘制造一個(gè)“人造太陽”來發(fā)電，人類就能夠徹底實(shí)現(xiàn)能源自由。曾經(jīng)童謠里唱的“種太陽”，正被人類一點(diǎn)點(diǎn)變成現(xiàn)實(shí)。

 

用羽絨服、牛仔褲換來托卡馬克

 

制造“人造太陽”面臨一個(gè)突出的現(xiàn)實(shí)問題：用什么容器來承載核聚變？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是3000多攝氏度。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年代開始，我國與國際基本同步，開始了在可控核聚變領(lǐng)域的研究，并于1965年在四川樂山建成了我國核聚變研究基地——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)，國際上不同的技術(shù)路線此消彼長，最終蘇聯(lián)科學(xué)家提出的托卡馬克方案異軍突起，國際核聚變界的重點(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2×108焦耳的大型儲(chǔ)能電感裝置（又稱為“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”，向國家申請立項(xiàng)的大科學(xué)工程項(xiàng)目就被稱為“八號(hào)工程”。

 

20世紀(jì)90年代，我國用羽絨服、牛仔褲、瓷器等生活物資，換了蘇聯(lián)價(jià)值1800萬盧布的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，使我國成為繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有超導(dǎo)托卡馬克裝置的國家，也是我國建成并投入運(yùn)行的首個(gè)超導(dǎo)托卡馬克裝置。

 

1997年11月17日，中國科學(xué)院在合肥召開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年輕的聚變?nèi)艘黄鹱哌^了17個(gè)春秋，這期間完成了第10萬次放電。

 

2013年5月，HT-7正式被中國科學(xué)院和原環(huán)保部批準(zhǔn)退役，成為我國首個(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，也是中國磁約束聚變研究走向世界前沿的見證。

 

邊設(shè)計(jì)、邊研發(fā)，“人造太陽”在中國點(diǎn)亮

 

1998年7月，國家“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”（即“全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置”，以下簡稱EAST）正式立項(xiàng)。2000年10月，EAST正式開工建設(shè)。

 

“EAST最大的創(chuàng)新點(diǎn)，是把全超導(dǎo)和非圓截面結(jié)合起來，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)的重大物理問題進(jìn)行深入研究。” 在當(dāng)時(shí)的EAST大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)軍人物萬元熙院士看來，物理上的先進(jìn)性，必將帶來工程上的巨大挑戰(zhàn)。

 

在20世紀(jì)90年代末，中國聚變工程技術(shù)和超導(dǎo)工業(yè)十分薄弱，沒有研制大型超導(dǎo)磁體、大型低溫系統(tǒng)的經(jīng)歷，國際上尚沒有任何一個(gè)國家研制和建造過全超導(dǎo)托卡馬克裝置。

 

萬元熙院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)揚(yáng)“沒有條件創(chuàng)造條件也要上”的精神，在簡陋的實(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、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)一億攝氏度，線圈中的溫度卻要求達(dá)到零下269攝氏度，項(xiàng)目難度可見一斑。”中科院等離子體物理研究所（以下簡稱等離子所）所長宋云濤告訴科技日報(bào)記者，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)。

 

研制EAST過程中，許多關(guān)鍵技術(shù)取得突破并達(dá)到國際先進(jìn)水平，同時(shí)也填補(bǔ)了多項(xiàng)國內(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)、建成了國內(nèi)最大的大型超導(dǎo)磁體測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)、建造了我國最大的氦低溫系統(tǒng)，制冷能力超過2kW/4.5K……

 

“EAST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。

 

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)裝置在中國率先建成并正式投入運(yùn)行，為未來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5000萬攝氏度，兩年后又實(shí)現(xiàn)電子溫度1億攝氏度等離子體運(yùn)行，而太陽核心的溫度也不過1500萬攝氏度。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，國家發(fā)改委組織專家對(duì)EAST進(jìn)行竣工驗(yàn)收。專家們認(rèn)為，中國科研人員在國際上尚無全超導(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平方公里、三面環(huán)水的半島。這里就是中國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，看到的是一片緊張有序的場景，本年度的等離子體物理實(shí)驗(yàn)即將開啟，劍指新的世界紀(jì)錄。

 

在對(duì)受控?zé)岷司圩兲剿鬟^程中，越來越多國家的科研人員認(rèn)識(shí)到，“人造太陽”科學(xué)裝置規(guī)模大、建設(shè)周期長、投資成本高，任何一個(gè)國家“關(guān)起門來搞建設(shè)”都無法解決所有難題，必須“聚四海之氣、借八方之力”。

 

1985年，美蘇首腦為此提出了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃。但在2001年之前，這個(gè)“俱樂部”一直將我國拒之門外，其中主要原因是我國的科研水平還不高。但隨著EAST研制工作推進(jìn)，這個(gè)局面逐漸改變。

 

2001年，由于美國退出，ITER成員國出于分?jǐn)偨?jīng)費(fèi)的考慮，希望擴(kuò)大參與國的范圍。我國借此再次申請加入，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“入門會(huì)費(fèi)”的俱樂部，每個(gè)成員國要至少承諾10%的投入，約合人民幣100億元。

 

“加入ITER計(jì)劃前，國際主流聚變會(huì)議上，幾乎沒有我們的聲音。如今，越來越多我國學(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。”宋云濤說，加入ITER計(jì)劃后，我國逐漸走向世界聚變舞臺(tái)的中心。

 

國際聚變能大會(huì)，是核聚變領(lǐng)域的奧林匹克。像宋云濤這樣的我國學(xué)者，曾經(jīng)是無緣進(jìn)場的。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。越來越多雙眼睛在關(guān)注這顆來自“島”上的“太陽”。位于法國的ITER總部也正期待著中國“小太陽”帶來更多光和熱，把“人造太陽”從夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

 

借助我國首個(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人次國際專家訪問我國，開展與我國相關(guān)聚變研究機(jī)構(gòu)的合作研究。

 

回顧過去，人類認(rèn)識(shí)核聚變的路已經(jīng)走了很久。有人問：“在我們的有生之年，能不能看到一個(gè)真正的‘人造太陽’？”

 

中國工程院院士李建剛坦言，要將成果真正投入商用、變成每家每戶可以用的電，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。”