在“夸父”設施園區(qū)，有數(shù)座單體建筑（科研廠房），它們都是聚變堆主機關鍵系統(tǒng)的子系統(tǒng)，每個科研廠房里都有多個系統(tǒng)正在建設和運行。

1994年12月，由T-7改造成的超導托卡馬克裝置HT-7首次獲得等離子體，成為中國第一臺超導托卡馬克。

圖為世界上首臺全超導托卡馬克裝置EAST東方超環(huán)，EAST的國產化率超95%，關鍵設備、材料實現(xiàn)自主研發(fā)。

2006年10月16日，國家重大科學工程EAST項目總經理萬元熙在第21屆世界聚變能大會上作首個邀請報告，題為《EAST項目進展概況及未來規(guī)劃》。

9月末的一個清晨，安徽省合肥市未來大科學城中國科學院合肥物質研究院等離子體物理研究所（下稱“等離子體所”）下起了小雨。初秋的降溫給這座研究所帶來了絲絲涼意。而在研究所里，研究人員仍保持著熱情的工作狀態(tài)。在巨大的控制室內，各國科學家正認真地盯著面前3層樓高的大屏幕，屏幕上顯示著全超導托卡馬克裝置EAST東方超環(huán)（以下簡稱EAST）的實施運行情況。在屏幕下方，EAST運行總負責人龔先祖正在進行一次新的實驗。

龔先祖正在進行的實驗，是磁約束可控核聚變的等離子體放電實驗。為了解決當今世界面臨的能源問題，參照太陽的核聚變反應，各國科學家從20世紀起就開始探索一種可能——利用地球上儲量極其豐富的氘，在地球上建造一個“太陽”，為人類持續(xù)供應清潔能源。

在中國，這項“逐日”工作，已經持續(xù)了半個多世紀。歷經4代科研工作者、40萬余次實驗、10余次創(chuàng)造世界紀錄……中國在自主設計、自主建造的磁約束可控核聚變裝置的研發(fā)之路上已經走了很遠。近日，本報記者走進位于合肥未來大科學城里的等離子體所，實地探訪這里的“夸父”科學家們“逐日”的新故事。

“讓‘小太陽’懸浮在‘大冰箱’里”

在EAST控制室里，記者看到，龔先祖正準備用鼠標啟動一次等離子體放電。等離子體本身位于控制室的監(jiān)視器墻后面，被封閉在一個裝置真空室內。

每天，龔先祖和他的同事們從早到晚要進行約100次等離子體的放電實驗。“每一次的放電實驗都是向實現(xiàn)可控核聚變邁出的必要一步。”龔先祖說。

“可以解釋一下可控核聚變的技術原理嗎？”記者問。

“核聚變的基本原理是，兩個較輕的核融合在一起形成一個較重的核，這一過程會爆發(fā)出強大的能量。比如，氫的同位素氘和氚融合反應過程當中，就產生了核聚變。恒星產生能量的主要方式，就是核聚變。”等離子體所科普主管蔡其敏對本報記者說，“核聚變需要上億攝氏度的高溫才能實現(xiàn)，地球上找不到能夠承受這么高溫度的材料?？蒲腥藛T后來發(fā)現(xiàn)，用強磁場可以把高溫等離子體束縛在一定的空間范圍內，這就是磁約束。”

EAST是一臺全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。它的建設，是為了實現(xiàn)三大科學目標：電流1兆安、溫度1億攝氏度、運行維持1000秒。

托卡馬克裝置是一種環(huán)形聚變裝置，用來約束帶電的高溫等離子體。“科幻電影《流浪地球》里推著地球往前走的行星發(fā)動機，就是核聚變裝置。”龔先祖說，“托卡馬克裝置利用磁場來約束加熱后的等離子體環(huán)——一種包含離子和電子的流體狀物質狀態(tài)，其溫度比太陽核心還要高。等離子體維持的時間越長，就可以獲得越多的聚變能源，這就是托卡馬克的運行原理。”

“我們要維持穩(wěn)定的磁場約束高溫等離子體，需要給磁體通大電流產生強磁場。EAST的磁場強度要比地球的磁場強度高1萬多倍，這對能源的消耗極大，”中國工程院院士、等離子體物理學家李建剛說，“為了使這一部分能量消耗減少，我們得讓磁體超導。”

在EAST內部有30個超導線圈。在極低溫條件下，這些超導線圈具有零電阻效應，通大電流可以產生穩(wěn)態(tài)的約束磁場并且不會產生熱量，使高溫等離子體穩(wěn)態(tài)運行成為可能。

超導對溫度的要求極高，零下269攝氏度是它的標準溫度。李建剛說，“聚變能就是一個‘小太陽’，我們要做的是讓這個1億攝氏度的‘小太陽’懸浮在一個零下269攝氏度的‘大冰箱’里，這件事情在我們之前全世界都沒有做過。”

為建成EAST，等離子體所的科研團隊花了6年多的時間，從開工到建設，發(fā)展了68項關鍵技術。其中有大型的超導技術、精準控制技術、加熱技術、真空技術、射頻技術、電源技術、低溫技術等。“所有關鍵技術都是我們自己研發(fā)的。”李建剛說。

“2006年的9月16日EAST獲得了第一次等離子體。”李建剛說，“當年我們EAST項目總經理萬元熙在世界原子能聚變大會上作報告，全場起立為中國的成就鼓掌。在那一刻，作為一個中國人我覺得非常自豪。”

2023年4月12日晚9點左右，EAST在第122254次實驗中成功實現(xiàn)了403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模式等離子體運行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模式運行新的世界紀錄。

“這樣的紀錄意味著，可控核聚變正一步步邁向商業(yè)化應用。”中國科學院合肥物質科學研究院副院長、等離子體所所長宋云濤說，“我們已經看到了可控核聚變實現(xiàn)的曙光。”

為下一代“人造太陽”研制“發(fā)動機”

中國的“人造太陽”究竟什么時候能走出實驗室？

簡單地說，要滿足兩個條件。一是穩(wěn)定運行的時間足夠長，這樣才能持續(xù)釋放聚變能量。二是產出的能量大于消耗的能量，這樣才有經濟價值。等離子體所副所長陸坤告訴本報記者，從穩(wěn)定運行時長來看，目前還有很大提升空間。

陸坤說：“大家追求的肯定是一整天或者是很多天的連續(xù)運行，但科學是一步一步往前走的。接下來我們要沖擊1000秒，或者是更長的時間。”

提升核聚變裝置穩(wěn)定運行時長的難點在哪？對于中國采取的磁約束路線來說，主要在于材料。陸坤說，盡管EAST裝置本身并不直接接觸高溫等離子體，但仍然容易被逃逸的粒子損傷。

陸坤表示：“參數(shù)高了，這些高能粒子肯定會逃逸。一些逃逸的高能粒子可能會打到一些部件上，如果時間長了，部件會有損傷。基于材料的不斷發(fā)展，還有我們運行控制能力的增強，包括從結構上看是否還有更優(yōu)化的地方，能夠讓其承受更高的熱負荷，在這幾個方面要一起努力。”

而從產出能量大于消耗能量的角度看，托卡馬克裝置內發(fā)生聚變反應要有功率巨大的輔助加熱系統(tǒng)，這就要消耗能量。而聚變開始后，會產生能量，這兩者的比值叫作Q值，也就是聚變增益。Q值大于1，代表產出能量大于消耗能量，也就是凈產出。不過，目前全球托卡馬克裝置的Q值很少達到1。

陸坤說：“只要Q值大于1就可以嘗試著去發(fā)電了。我們最終追求的目標是Q值大于30，這樣會更有經濟性，大家才能用得起。我們要探索的就是在時間尺度上能夠去穩(wěn)定地維持高參數(shù)的等離子體，為后續(xù)新的裝置提供核心的技術支撐。”

要造出真正有實用價值的“人造太陽”，還得跨越從實驗裝置到實驗堆、工程堆、示范堆、商業(yè)電站的多個階段，需要研制一代代科技含量更高的“人造太陽”。

為下一代“人造太陽”研制“發(fā)動機”，“夸父”的使命艱巨。

“夸父”的學名為“聚變堆主機關鍵系統(tǒng)綜合研究設施（CRAFT）”，是國家“十三五”重大科技基礎設施，2018年12月獲批開工建設。

走進聚變堆園區(qū)11號科研廠房，記者看到了那片巨大的中空“扇瓣”，就是CRAFT部分部件的雛形。

“它是‘夸父’的核心部件1/8真空室及總體安裝實驗平臺。”蔡其敏告訴記者，8個“扇瓣”將組成一個“大橘子”，成為未來“人造太陽”的重要組成部分，相當于一個鍋爐，能夠為上億攝氏度的等離子體運行提供高質量的真空環(huán)境。

在“夸父”設施園區(qū)，有14座單體建筑（科研廠房），它們都是聚變堆主機關鍵系統(tǒng)的子系統(tǒng)，每個科研廠房里面都有多個系統(tǒng)正在建設和運行，有的系統(tǒng)已經初步建成，正在進行整體的聯(lián)調和測試，有的還在加緊研制過程中。在這些裝置上，將開展一系列關鍵技術預研，為未來中國建造真正能實現(xiàn)核聚變發(fā)電的“聚變堆”提供核心技術基礎和研究平臺。

在寬闊的廠房里，來自170余家國內外合作單位的1000多名建設者正奮力攻關一系列科研與工程技術難題，力爭實現(xiàn)這些目標——國際上時間最長的百秒量級強流負離子束引出，運行溫度最高、研究功能最完備的鋰鉛實驗平臺，規(guī)模最大的Nb3Sn線圈熱處理系統(tǒng)……

宋云濤說，基于幾代人的持續(xù)學習、研究、創(chuàng)造，EAST的國產化率超95%，關鍵設備、材料實現(xiàn)自主研發(fā)，而“夸父”的國產化率將提升到100%。

目前，“夸父”主體工程已完成116項關鍵里程碑當中的70余項，項目從子系統(tǒng)的實驗室研發(fā)測試階段進入關鍵部件的研制和現(xiàn)場集成及調試階段，總體進度已超70%，預計“夸父”將在2025年底建成。

2024年8月28日，科學雜志《自然》（Nature）期刊發(fā)表了題為《聚焦中國如何在核聚變的賽道上領先世界》（“Inside China's race to lead the world in nuclear fusion”）的新聞特寫報道，深入探討了等離子體物理研究所和中國在核聚變領域的發(fā)展成就和未來的發(fā)展規(guī)劃前景以及在全球范圍內的合作競爭態(tài)勢。文章詳細介紹了EAST、CRAFT、ITER及中國在磁約束聚變科學研究和工程技術研發(fā)方面的進展，以及國家層面的支持和發(fā)展。

文章對中國的核聚變技術發(fā)展表示贊嘆：“中國在核聚變研究方面的優(yōu)勢在于其在開發(fā)建造反應堆所需的材料、部件和診斷系統(tǒng)方面的速度和專注度。中國對建設核聚變技術人員隊伍的重視也使該國在人才方面具有優(yōu)勢。”文章援引麻省理工學院核科學家丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）的話稱：“在可控核聚變領域，中國已經從幾十年前的無名小卒成長為擁有世界一流能力的人。”

“自從遠古以來，我們的祖先就有‘夸父逐日’的夢想。今天，我們把聚變研究變成工程實踐的第一步。”李建剛說，“我相信中國聚變人一定會與世界各地的同行一起，讓可控核聚變最終成為現(xiàn)實。”

（本版圖片均為等離子體所供圖）