深圳特區(qū)報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，而是以超導磁場約束，通過波加熱，讓等離子氣體達到上億度的高溫，發(fā)生聚變的大科學裝置，就像太陽一樣，為人類提供源源不斷的能量。
在合肥的科學島上，中國的“人造太陽”——“東方超環(huán)”率先實現(xiàn)一億度的超高溫，實現(xiàn)了101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，在聚變這個全球競爭的科學頂峰攀登賽中，一直保持著領(lǐng)先。中國的目標，是點亮人類核聚變的第一盞燈。
“聚變是全人類的夢想?！边@是李建剛對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召集人，曾任中國科學院等離子體物理研究所所長，在合肥西郊的科學島上深耕近40年，致力于核聚變研究，是國家重大科學工程“EAST超導托卡馬克聚變裝置”輔助加熱系統(tǒng)的負責人。EAST裝置也被稱為“東方超環(huán)”，是我國自主設(shè)計建造的、世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。
簡單說來，因為這個裝置的目標是實現(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”“世界實驗室核聚變中心”?！翱茖W無國界，核聚變研究可能是全世界科學家合作最好的一件事?！崩罱▌傉f。
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)科學界發(fā)明了托卡馬克后，在1958年對全世界解密，包括中國在內(nèi)的多個國家都陸續(xù)開展了對該領(lǐng)域的研究。
一個偶然的機會，讓中國的托卡馬克有了飛躍的機遇。
“上世紀90年代，在前蘇聯(lián)解體之前，蘇聯(lián)人打算把一個T7的半超導裝置贈送給其他國家，然后他們自己做一個更大的。我們的老所長霍裕平對蘇聯(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佳話，我們用價值400萬人民幣的生活物資，換了前蘇聯(lián)價值1800萬盧布的T7裝置?！笔虑殡m然已經(jīng)過去很久了，但講起這件事，李建剛還是很興奮?，F(xiàn)在，ESAT大廳門口還擺放著已經(jīng)退役的T7，一米多高，像一個環(huán)形穿插進方塊里。
有了T7，所里就用這個裝置來學習吸收消化，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。”全所上下齊心努力，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，基于當時的條件，很多部件都無法實現(xiàn)國產(chǎn)，有時還要請俄羅斯專家來檢修。有一次，請來一位俄羅斯專家，下午5點多乘飛機抵達，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
實現(xiàn)核聚變，半超導還不夠，一定要做全超導，世界各國的科學家都在朝這個方向努力，包括美國、韓國、日本、美國、印度等。經(jīng)過10年的努力，中國科學院等離子體物理研究所于2006年建成了全超導的東方超環(huán)，并且關(guān)鍵的技術(shù)部分實現(xiàn)了百分之百國產(chǎn)！
采訪組到達時，正是東方超環(huán)的實驗季，不過，采訪組的運氣很好，當天早上，正好碰上EAST短暫的停機檢測，采訪組也有機會近距離和東方超環(huán)親密接觸。
EAST控制大廳的外形像是一個巨大的圓形太空艙，科幻感十足。經(jīng)過兩道閘門后，刷卡進入一個密閉的空間，我們見到了EAST的真容。
EAST給人的第一印象像是未來的機器蜘蛛，整個裝置重量約400多噸，中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導磁體，由D形的超導線圈圍成的，實驗時，超導形成的磁約束，讓等離子體成為懸在空中的一團火球，不斷加熱，達到上億度的超高溫。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、遙操作維護等系統(tǒng)像是伸出來的“腿”，支撐在大型超導磁體周圍。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超導高溫電流引線等，這些都是EAST能夠成功運行的基礎(chǔ)。
所里的技術(shù)人員把實驗一次叫“放一炮”，在EAST控制大廳里的超大屏幕上顯示著一個數(shù)字：87068，這意味著EAST已經(jīng)放電87068次。實驗時，兩道閘門關(guān)閉，室外警報響起，隨著實驗人員輸入各種參數(shù)，大屏幕上開始倒計時，當?shù)褂嫊r歸零時，EAST開始加熱，磁約束下的那團氣體的影像會出現(xiàn)在大屏幕上，周邊是熾熱的紅黃色，中間是黑色。黑色，意味著達到了一億度的超高溫。幾秒后，火焰消失，一次實驗結(jié)束。
一項研究衍生多項科技成果：有望實現(xiàn)超導質(zhì)子治療
核聚變研究中應用的各方技術(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，也會帶來巨大的提升，為全人類服務(wù)。
“超導的一個最常見的應用就是平常我們?nèi)タ床〉暮舜殴舱??！崩罱▌傉f，“現(xiàn)在人們?nèi)ヅ钠幼詈玫脑O(shè)備磁場才1.5個特斯拉，未來核磁共振可以做到10個特斯拉。1.5特斯拉和10個特斯拉是什么概念？就是能把發(fā)現(xiàn)癌細胞的精度提高十倍、二十倍，如果要殺死癌細胞，再加入一個加速器的技術(shù)?！?/p>
等離子體所正在開展超導質(zhì)子治癌項目，大約5年的時間內(nèi)，他們有望研發(fā)出一款新設(shè)備，可以實施精確放療，讓老百姓治療癌癥的價格大幅下降。目前，類似的設(shè)備大都依賴進口，使用不僅要排隊，而且價格高昂，治療費用對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現(xiàn)淡化了，而高溫產(chǎn)生的氫，可以提供大量的清潔能源?？梢哉f，把聚變中的這些技術(shù)用到國民經(jīng)濟上，能夠把我們的生活質(zhì)量大幅提高?！?/p>
核聚變，就像當年的信息革命、半導體革命，一旦能夠?qū)崿F(xiàn)，整個人類社會都會發(fā)生革命性的變化。
科技革命往往也會伴隨著擔憂和質(zhì)疑的聲音：又是核、又是高溫，會不會不安全？
“非常安全！”李建剛說，“我們實驗了20多萬次，失敗也有幾萬次，最多的損傷就是那團火球偏了，燒了內(nèi)壁。因為，一旦出現(xiàn)情況，我們可以實現(xiàn)瞬間降溫、停止聚變，火球又變成氣體，基本沒有衍生災害?！?/p>
在采訪當日，EAST超導托卡馬克團隊的一個新成果在線發(fā)表在國際權(quán)威物理期刊Physical Review Letters（《物理評論快報》）上，在托卡馬克核聚變實驗裝置中，高約束等離子體的邊界區(qū)域會周期性地爆發(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、實現(xiàn)了雜草型小幅度邊界局域模（Grassy ELM）運行的基礎(chǔ)上，EAST超導托卡馬克團隊揭示了Grassy ELM產(chǎn)生的物理機制，進而利用這種自發(fā)的高頻小幅度Grassy ELM，發(fā)展出了一種高性能穩(wěn)態(tài)等離子體運行模式，并系統(tǒng)驗證了其與未來聚變堆若干運行條件的兼容性。
一百億投入的背后：全球科學家協(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?！崩罱▌傉f。
難在哪里？它需要同時滿足三個條件，首先要有億度級的超高溫，其次是高溫要有足夠的持續(xù)時間，第三是持續(xù)產(chǎn)生高溫這個過程必須可控?！斑@不是單靠某一個科學家的智慧能夠解決的，必須要全世界的科學家聯(lián)合起來做?！崩罱▌傉f。
一個上億度的火球，現(xiàn)在最多只能做到持續(xù)幾秒鐘，離實現(xiàn)持續(xù)24小時、365天還有遙遠的距離?，F(xiàn)在的材料，幾百上千度就化了，上億度的高溫，對材料、對控制都有著極高的要求。
“超導材料的需求是百噸計的，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驗的要求?！?/p>
核聚變需要諸多尖端科學領(lǐng)域的合作。實現(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。
“這不是短時間可以實現(xiàn)的，可能需要幾十年，大規(guī)模經(jīng)濟應用可能還要上百年，這也是全球科學家在這件事上可以合作的原因。”
中國加入了國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，這是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應的超導托克馬克，參與計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，中國在這一計劃中要投入100億人民幣。參與計劃科學家的平臺、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家，李建剛介紹說，上個月的某一周，EAST全部實驗是中美聯(lián)合實驗，有幾十位美國科學家加入進來。美國的DIII-D裝置也有差不多一個星期的聯(lián)合實驗。“到下一周我們還會采取第2輪國際聯(lián)合實驗。”
聯(lián)合實驗也叫THIRD SHIFT，聯(lián)合實驗室是異地的，通過網(wǎng)絡(luò)，在圣地亞哥、在MIT、在普林斯頓就能參加EAST的實驗?！霸贓AST，一般白天是中國科學家，到了下午，就換成歐洲科學家，等到半夜，就是美國科學家。通過網(wǎng)絡(luò)，全世界的科學家都能參與其中?！鼻懊婵吹降氖澜缱罡邊?shù)的68KA超導高溫電流引線，就是我國提供給ITER的。
一座新實驗堆的愿景：在中國點亮核聚變的第一盞燈
“中國是最有可能率先實現(xiàn)聚變發(fā)電的國家?！崩罱▌傉f。
“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，這十幾年來，中國的發(fā)展速度舉世矚目，因為中國可以堅定地實施中長期的規(guī)劃，可舉國之力辦大事?！?/p>
歐美的科學家，單兵作戰(zhàn)能力強過中國科學家，但多人集團作戰(zhàn)，就是中國科學家的優(yōu)勢，而聚變，恰恰是一個需要眾多人才長期努力的科學實驗，中國在這一領(lǐng)域的優(yōu)勢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，正在醞釀一個更大的計劃。
李建剛告訴記者，在科技部的支持下，他們正在籌劃建設(shè)一個新的聚變實驗堆，其規(guī)模要超過目前的ITER，“目前正在設(shè)計階段，有100多個單位、近800名科學家參與，希望5年能完成設(shè)計，建設(shè)要用10年的時間。”
目前ITER的功率是50萬千瓦，我國未來的新實驗堆將實現(xiàn)200萬千瓦，聚變功率大4倍。ITER并不能發(fā)電，而我們的新實驗堆將具有發(fā)電功能?！八?，我們非常有信心地說，人類核聚變點亮的第一盞燈，一定會在中國?！?/p>