人造太陽
不是掛在天空
而是以超導(dǎo)磁場約束
通過波加熱
讓等離子氣體達(dá)到上億度的高溫
發(fā)生聚變的大科學(xué)裝置
就像太陽一樣
為人類提供源源不斷的能量
中國力量——走進(jìn)中國大工程大項目
在新中國成立70周年之際，深圳特區(qū)報組織策劃了大型報道“中國力量——走進(jìn)中國大工程大項目”，記者兵分多路，足跡遍布東北、華北、華東、華南、西南、西北等地，走近這些具有國際影響、富有中國特色、體現(xiàn)民族精神的大工程、大項目、高科技，采訪曾經(jīng)為這些重大項目、重大工程奮斗的科學(xué)家、工程師、設(shè)計師以及普通的建設(shè)者和守護(hù)者，述說工程建設(shè)的艱辛歷程，挖掘工程建設(shè)背后的精彩故事，再現(xiàn)工程建設(shè)中可歌可泣的英雄事跡，彰顯工程建設(shè)中的中國力量。這組報道將通過全媒體傳播，向世界展示一個充滿活力與創(chuàng)造力的中國。
在合肥的科學(xué)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(yùn)行，在聚變這個全球競爭的科學(xué)頂峰攀登賽中，一直保持著領(lǐng)先。中國的目標(biāo)，是點亮人類核聚變的第一盞燈。
“聚變是全人類的夢想?！?/span>這是李建剛對中國力量采訪組說的第一句話。
中國工程院院士，中國磁約束聚變專家委員會召集人李建剛。
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(xué)院等離子體物理研究所所長，在合肥西郊的科學(xué)島上深耕近40年，致力于核聚變研究，是國家重大科學(xué)工程“EAST超導(dǎo)托卡馬克聚變裝置”輔助加熱系統(tǒng)的負(fù)責(zé)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(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置。
簡單說來，因為這個裝置的目標(biāo)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。
中國科學(xué)院等離子體物理研究所。
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”。“科學(xué)無國界，核聚變研究可能是全世界科學(xué)家合作最好的一件事。”李建剛說。
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(xué)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(jī)會，讓中國的托卡馬克有了飛躍的機(jī)遇。
“上世紀(jì)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(dǎo)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。”事情雖然已經(jīng)過去很久了，但講起這件事，李建剛還是很興奮。現(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(jìn)方塊里。
有了T7，所里就用這個裝置來學(xué)習(xí)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(dāng)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(jī)抵達(dá)，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。”
實現(xiàn)核聚變，半超導(dǎo)還不夠，一定要做全超導(dǎo)，世界各國的科學(xué)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(xué)院等離子體物理研究所于2006年建成了全超導(dǎo)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(dá)時，正是東方超環(huán)的實驗季，不過，采訪組的運(yùn)氣很好，當(dāng)天早上，正好碰上EAST短暫的停機(jī)檢測，采訪組也有機(jī)會近距離和東方超環(huán)親密接觸。
與EAST的親密接觸：圖為EAST偏振干涉儀診斷裝置。
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(jìn)入一個密閉的空間，我們見到了EAST的真容。
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(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置。
EAST給人的第一印象像是未來的機(jī)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(dǎo)磁體，由D形的超導(dǎo)線圈圍成的，實驗時，超導(dǎo)形成的磁約束，讓等離子體成為懸在空中的一團(tuán)火球，不斷加熱，達(dá)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(hù)等系統(tǒng)像是伸出來的“腿”，支撐在大型超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)高溫電流引線等，這些都是EAST能夠成功運(yùn)行的基礎(chǔ)。
EAST控制大廳內(nèi)，各國科學(xué)家就各項實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測交流。
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(dāng)?shù)褂嫊r歸零時，EAST開始加熱，磁約束下的那團(tuán)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(dá)到了一億度的超高溫。幾秒后，火焰消失，一次實驗結(jié)束。
核聚變研究中應(yīng)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(dǎo)的一個最常見的應(yīng)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(xì)胞的精度提高十倍、二十倍，如果要殺死癌細(xì)胞，再加入一個加速器的技術(shù)?！?/strong>
等離子體所正在開展超導(dǎo)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(jìn)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(jì)上，能夠把我們的生活質(zhì)量大幅提高?！?/span>
核聚變，就像當(dāng)年的信息革命、半導(dǎo)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(dān)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(tuán)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(zāi)害?！?/span>
在采訪當(dāng)日，EAST超導(dǎo)托卡馬克團(tuán)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(yùn)行的基礎(chǔ)上，EAST超導(dǎo)托卡馬克團(tuán)隊揭示了Grassy ELM產(chǎn)生的物理機(jī)制，進(jìn)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(yùn)行模式，并系統(tǒng)驗證了其與未來聚變堆若干運(yùn)行條件的兼容性。
“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。“這不是單靠某一個科學(xué)家的智慧能夠解決的，必須要全世界的科學(xué)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(yuǎn)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(dǎo)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(yīng)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?！?/span>
核聚變需要諸多尖端科學(xué)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(jì)應(yīng)用可能還要上百年，這也是全球科學(xué)家在這件事上可以合作的原因?！?/span>
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(yuǎn)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(yīng)的超導(dǎo)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(xué)家的平臺、技術(shù)和發(fā)現(xiàn)是共享的。
EAST控制大廳內(nèi)，各國科學(xué)家就各項實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測交流。
在EAST控制大廳，我們見到了不少外國科學(xué)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(xué)家加入進(jìn)來。美國的DIII-D裝置也有差不多一個星期的聯(lián)合實驗?！暗较乱恢芪覀冞€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(xué)家，到了下午，就換成歐洲科學(xué)家，等到半夜，就是美國科學(xué)家。通過網(wǎng)絡(luò)，全世界的科學(xué)家都能參與其中?！鼻懊婵吹降氖澜缱罡邊?shù)的68KA超導(dǎo)高溫電流引線，就是我國提供給ITER的。
“中國是最有可能率先實現(xiàn)聚變發(fā)電的國家。”李建剛說。
“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?！?/span>
歐美的科學(xué)家，單兵作戰(zhàn)能力強(qiáng)過中國科學(xué)家，但多人集團(tuán)作戰(zhàn)，就是中國科學(xué)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(xué)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(xué)家參與，希望5年能完成設(shè)計，建設(shè)要用10年的時間?！?/span>
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?！八裕覀兎浅Ｓ行判牡卣f，人類核聚變點亮的第一盞燈，一定會在中國?！?/span>
“我們很感謝深圳大學(xué)，為我們提供了一個人才培養(yǎng)的基地?！?/span>
科學(xué)島可以說是全世界聚變?nèi)瞬诺呐嘤?xùn)基地，在采訪中，李建剛院士告訴我們，目前全球各個聚變實驗室，都有科學(xué)島出去的人才。但能做聚變的地方還是太少了，一個博士，如果畢業(yè)以后不能從事聚變事業(yè)，而是進(jìn)了其他什么企業(yè)，是他本人的知識浪費，也是國家有損失。
“聚變需要幾代人的努力，在EAST，70、80后開始成為主力，一旦新實驗堆建設(shè)啟動，這些人才就會有更大的用武之地。”
李建剛說，新實驗堆的選址主要參考幾個條件，“最好能在海邊，面積要足夠大，同時在建設(shè)中不受太多干擾，畢竟實驗是第一位的，不能天天讓人參觀。當(dāng)然，由于投入巨大，也希望建到經(jīng)濟(jì)實力強(qiáng)的地方?！?/span>
核聚變實驗堆要同時完成三件事，一是熱聚變發(fā)電，二是海水淡化，三是產(chǎn)氫，其安全性又強(qiáng)，而深圳目前又在集中力量打造大科學(xué)裝置群，也是一個不錯的選擇。
據(jù)悉，深圳大學(xué)于2017年6月29日成立了新能源研究中心，并于同年11月22日成立李建剛院士工作站。目前，中心已招收30多位博士后，圍繞中美核聚變聯(lián)合實驗室、EAST高水平實驗和等離子體應(yīng)用、CFETR前沿科學(xué)技術(shù)研究等方向開展工作。
記者手記
奮斗的青春最美麗
從合肥城區(qū)前往西郊的科學(xué)島，要行駛過林蔭小道，穿過一道長長的橋，駛過董鋪水庫。島上三面環(huán)水，各個科學(xué)院所都仿佛坐落在森林花園里，很有一種世外桃源的感覺。
研究員王曉潔。
采訪時，我們見到了女研究員王曉潔，她負(fù)責(zé)的方向是大功率微波，百計赫茲的毫米波，就是像同時用幾千臺微波爐給裝置中的氣體加熱。她畢業(yè)上島已經(jīng)16年了，但看上去就像一個大學(xué)生，青春、美麗。去年，她到高校去宣講，大學(xué)生們問她，您怎么會這么年輕，她說，科學(xué)島就是這樣一個地方，雖然忙碌，但環(huán)境舒心，工作單純，所以是一個保持青春的好地方，歡迎大家畢業(yè)后來科學(xué)島深造、工作。
研究員錢金平。
研究員錢金平是EAST的Operator（主操作手之一），也就是負(fù)責(zé)設(shè)置不同參數(shù)，操作每一次實驗的科學(xué)家，看上去也是非常年輕，他在島上已經(jīng)工作了20年，他也說喜歡這里的單純。
這也許是“奮斗的青春最美麗”的最好詮釋。正如李建剛所說，島上的環(huán)境就是技術(shù)優(yōu)先，少了社會上那些無聊的紛爭，讓科學(xué)家們可以專注在事業(yè)上，讓事業(yè)的成功成為他們最大的幸福。
采寫 | 深圳特區(qū)報記者 李劍輝 王劍鋒 李麗 秦綺蔚
圖片︱深圳特區(qū)報記者 何龍
視頻︱深圳特區(qū)報記者 邢峻豪
監(jiān)制︱桂桐
編輯︱李林夕
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