7月3日夜晚，中科院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體所建設的世界首個全超導托卡馬克(EAST)東方超環(huán)實現(xiàn)穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，創(chuàng)造新的世界紀錄，這意味著人類向“人造太陽”目標又邁進一步。

核聚變能：不竭的清潔能源

東方超環(huán)又稱“人造太陽”，如果你來到中科院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體所的實驗室，你就能一睹這個高11米、直徑4米、重達400噸的大科學裝置的風采。它之所以備受關(guān)注，是因為科學家們相信，通過這個實驗裝置，人們將最終可以讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下，像太陽一樣發(fā)生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源。

核聚變是輕核(主要是氫的同位素氘和氚)聚合成較重的原子核，同時釋放出巨大能量的過程，太陽發(fā)光發(fā)熱和氫彈爆炸就是這樣的原理。太陽就是一個巨大的核聚變反應裝置，太陽的中心溫度高達1500萬攝氏度，氣壓達3000多億個標準大氣壓，在這樣的高溫、高壓條件下，氫原子核聚變成氦原子核，并放出巨大能量。 “由于太陽是我們在自然界目前能看到的最大核聚變體，所以人們把能產(chǎn)生聚變能的托卡馬克核聚變實驗裝置形象地稱為‘人造太陽’。 ”中國工程院院士李建剛說。

聚變能的特點是聚變反應可釋放出大量的能量。在最好的情況下，每升海水中的氘聚變能夠放出的能量，相當于燃燒300升汽油；一個百萬千瓦的核聚變電廠，每年只需要600公斤原料，但一個同樣規(guī)模的火電廠，每年則需要210萬噸燃料煤。

核聚變另一個突出優(yōu)點是，聚變產(chǎn)物沒有放射性。 “與核裂變不同的是，核聚變的燃料和產(chǎn)物不具放射性，而且很容易通過取消核反應條件終止反應，因此不存在失控、核泄漏及核廢料等安全問題。 ”李建剛告訴記者，由于聚變反應需要的條件比較高，一旦發(fā)生事故，造成反應的等離子體約束破裂，聚變反應便會終止。因此聚變?nèi)剂系谋４孢\輸、聚變電站的運行都比較安全。

東方超環(huán)：領(lǐng)跑“核聚變”研究

要實現(xiàn)像太陽內(nèi)部那樣的熱核聚變反應，必須把受控核聚變裝置內(nèi)的溫度加熱到上億度，這樣才會發(fā)生聚變進而產(chǎn)生巨大的能量。然而要把上億度的高溫等離子體裝到普通的容器里，頃刻之間就能灰飛煙滅。怎么辦？科學家想到一個辦法——用磁的方法將這團上億度的等離子體火球懸浮起來，在不與容器周邊的材料接觸的條件下，進行加熱、控制，進而成為“太陽”。

然而，現(xiàn)實操作異常復雜，因為懸浮起這團等離子體的火球不是普通的磁場，而是比地球南北極的磁場還要高兩萬倍以上的一個巨大磁場。除此之外，實現(xiàn)核聚變還需克服兩大難題。第一個難題是實現(xiàn)超導：為了可以長久、穩(wěn)定發(fā)生聚變反應，就要實現(xiàn)電阻為零，要實現(xiàn)電阻為零，必須實現(xiàn)超導現(xiàn)象，那就要把上億度的磁籠子懸浮在-269攝氏度的圓環(huán)里面。第二個難題是實現(xiàn)核聚變的可控：一旦聚變發(fā)生，會產(chǎn)生強烈的沖擊波，即使被懸浮起來，它同樣與周邊材料有強相互作用，所以對可控范圍和時間要求務必精確到零點幾毫米、零點幾毫秒以下。

在上億度的空間里既要懸浮起來，還要同時防止沖擊波，難度可見一斑。解決第一個難題，首先需要用線圈使等離子體火球懸浮起來，控制它處于中心位置不偏離。其次，裝置內(nèi)要保持真空，減少能量損失。解決第二個難題的思路，是從材料上下手。在聚變裝置里面，匯集了當今世界的各種極致技術(shù)，而采用的材料也是世界上最硬的一種合金——鎢合金。

由中科院等離子體所自主設計、研制并完全擁有知識產(chǎn)權(quán)的東方超環(huán)，是世界上第一個非圓截面全超導“托卡馬克”實驗裝置。它同時具有“超高溫”“超低溫”“超大電流”“超強磁場”“超高真空”等極限條件，它的成功建設和運行是我國核聚變研究的里程碑式突破。

近年來，東方超環(huán)物理實驗與工程建設穩(wěn)步推進，進展喜人。 2012年，東方超環(huán)獲得超過400秒的2000萬度高參數(shù)偏濾器等離子體和穩(wěn)定重復超過30秒的高約束等離子體放電，創(chuàng)造了當時兩項托卡馬克運行世界紀錄。 2016年，東方超環(huán)物理實驗實現(xiàn)電子溫度超過5000萬度，持續(xù)時間102秒的超高溫長脈沖等離子體放電，再次創(chuàng)新世界紀錄。

國際合作：共解“核聚變”難題

由歐盟、美、日、俄、中、韓、印七方共同承擔的國際熱核聚變實驗堆ITER計劃，是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，其目標是在和平利用聚變能的基礎(chǔ)上，探索聚變在科學和工程技術(shù)上的可行性。據(jù)介紹，高約束模是ITER的基本運行模式，為實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行并達到有效的偏濾器熱量排除，ITER將采用射頻波主導的低動量注入運行模式以及主動水冷的鎢偏濾器結(jié)構(gòu)。而東方超環(huán)是目前世界上唯一具備這兩大特色且具有長脈沖運行能力的全超導托卡馬克，其穩(wěn)態(tài)運行模式將為ITER和未來反應堆提供重要參考。

東方超環(huán)的成功，使中科院等離子體所成為ITER計劃中國工作組最重要的單位之一。等離子體所承擔了ITER中國采購包近80%重要部件的研制任務。研究所科研團隊推翻了原ITER電源和日本饋線設計方案并提出被國際專家組認為合理可行的新設計方案(已被ITER采用)。等離子體所承擔的ITER部件研制實現(xiàn)100%國產(chǎn)化并以優(yōu)異的性能指標通過國際評估，產(chǎn)品質(zhì)量100%滿足ITER要求。一些部件已交付至法國ITER現(xiàn)場，進度在七方參與國家中居前列，創(chuàng)造多項第一。 ITER組織兩任總干事評價“中國在采購包研發(fā)生產(chǎn)方面領(lǐng)先于各方”。

中國在ITER建設的同時，已經(jīng)開始規(guī)劃建設中國聚變工程實驗堆CFETR。等離子體所目前已完成CFETR總體設計方案，并通過國際專家組評估。依托東方超環(huán)項目，等離子體所科研項目及其創(chuàng)新團隊于2006年和2013年兩度榮獲國家科學技術(shù)進步獎一等獎，培養(yǎng)和凝聚了一批聚變領(lǐng)域優(yōu)秀工程技術(shù)、科研和管理人才，4位科學家當選院士，多人入選國家杰出青年基金、百人計劃、千人計劃、萬人計劃領(lǐng)軍人才和拔尖人才等人才專項或擔任973、863項目首席科學家。與歐盟、美、日、俄、澳等近30個國家和地區(qū)建立關(guān)系，形成全方位、深層次的國際交流與合作。

穩(wěn)態(tài)高約束運行模式是國際熱核聚變實驗堆計劃的基本運行模式，也是未來反應堆需要解決的關(guān)鍵科學問題。作為國際重要的長脈沖核聚變實驗平臺，東方超環(huán)全超導托卡馬克高約束放電時間實現(xiàn)百秒量級的突破，將為我國下一代核聚變裝置的建設和國際核聚變清潔能源的開發(fā)利用奠定堅實基礎(chǔ)。東方超環(huán)裝置實驗運行總負責人、中科院等離子體所研究員龔先祖說：“EAST具有ITER類似的先進技術(shù)，未來5年內(nèi)將是國際上唯一有能力開展超過百秒時間尺度的長脈沖高約束聚變等離子體物理和工程技術(shù)研究的實驗平臺。 ”

人類能否成功實現(xiàn)“人造太陽”的夢想？ “一定能，因為人類需要。 ”中國工程院院士萬元熙表示，如果托卡馬克研究進展順利，在本世紀就有可能建成民用核聚變示范電站。

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