走进中国“人造太阳”诞生地

本报记者 李迅典
中国“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）1月20日取得重大突破，成功实现1亿摄氏度1066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，再次刷新了托卡马克装置高约束模运行的世界纪录。近日《环球时报》记者走进中国科学院合肥物质院等离子体物理研究所，就EAST的进展、核聚变未来应用前景等问题专访了该所副所长徐国盛。

位于合肥的全超导托卡马克核聚变实验装置。（视觉中国）

“亿度千秒”世界纪录背后的15万次实验
徐国盛向《环球时报》记者介绍称，可控核聚变被视为“终极能源”，其原理是模拟太阳内部反应，通过氘、氚等轻元素聚变稳定释放能量。与核裂变相比，聚变能原料近乎无限（一升海水可提取的氘，通过核聚变反应产生的能量相当于300升汽油燃烧产生的能量），且无放射性污染，生成物是无害的氦。而托卡马克装置是实现可控核聚变的重要方向之一。中国“人造太阳”是世界首个非圆截面全超导托卡马克装置，研究长脉冲、高约束、稳态运行条件下的聚变堆物理和工程技术，包含超过200多项自主创新的核心技术。
徐国盛表示，托卡马克装置的运行原理是利用强磁场来约束高温的等离子体。但要想长时间维持等离子体稳定，需要在技术层面克服诸多挑战。首先，等离子体在1000秒的时间尺度内必须保持高度稳定，控制精度需达到毫秒、毫米量级。一旦控制不稳定，等离子体就会烧坏装置的部件。因为EAST装置面对等离子体的内壁材料虽然选用了熔点3000多度的耐高温金属，但面对被加热到1亿摄氏度以上的等离子体，一旦发生接触，内壁就会迅速熔化。所以必须长时间精准控制等离子体，使其不接触内壁材料，才能维持长时间运行。这就要求磁测量信号积分器测量时，在1000秒内漂移极低，以确保控制精度。
其次，主动冷却是EAST装置一大特色技术。徐国盛介绍说，等离子体运行时内壁材料表面温度较高，如果不能及时将热量带走，内壁材料也会超过熔点熔化，导致等离子体整体“熄灭”。因此，必须及时将热量排走，未来反应堆也必须做到这一点。
中国EAST装置在今年1月刷新了“亿度千秒”的世界纪录后，徐国盛回顾说：“从60秒到100秒，再到200秒、300秒、403秒，最后到1066秒。每一次都是一个里程碑，22轮物理实验，我们实验了整整15万次。成为开路者是非常困难的。”
从基础科学向工程实践的重大跨越
在被问到如何看待中国EAST装置刷新的“亿度千秒”世界纪录时，徐国盛表示：“目前全世界都在讨论在全金属壁条件下，等离子体能否实现400-3000秒的运行。温度和密度以及约束时间三者乘积也被称为‘聚变三乘积’，缺一不可，我国此次的‘亿度千秒’不仅极大地增强了国际社会对聚变能源实现的信心，也为相关研究提供了关键数据支持。目前，仅中国实现了这一突破，向全世界展现了中国在核聚变领域的强大实力。”
“亿度千秒”的实现还标志着中国聚变能源研究从基础科学向工程实践的重大跨越。EAST的成功运行不仅是中国核聚变研究的重大突破，也在国际核聚变领域产生了深远影响。法国正在建造的国际热核聚变实验堆（ITER）是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程项目之一，中国是其成员国之一。徐国盛介绍说，中国不仅承担了ITER计划中约9%的核心部件研制任务，更通过EAST为ITER提供了长脉冲运行的关键数据。中国承担的ITER任务100%一次性通过国际评估，交付进度和质量100%满足所需要求，在七方成员中创造多项第一。4月11日，由中国自主制造的最后一根校正场线圈内馈线完工，运往法国总部。
核聚变带动的技术已造福人类
徐国盛表示：“目前的实验装置只是证明了原理可行性，而没有真实产生能量。正在建造的聚变能实验装置（BEST）将真实产生能量，预计在2027年底建成，在全球率先演示聚变发电。此外，装置还将利用聚变产生的中子来制造更多的聚变燃料，证明燃料在装置内可以自持。这将更加接近未来反应堆的实际运行情况。最终，证明工程上的所有技术都可行后，我们将开始建设真正能够产生电能的示范发电站，这个示范发电站将把电能接入电网，证明电能的转化和自持能力。”
根据中国磁约束核聚变路线图，下一代“人造太阳”——中国聚变工程示范堆（CFEDR）正在开展工程设计，未来将瞄准建设世界首个聚变示范电站。从EAST到BEST再到CFEDR，中国聚变能应用正在实行“三步走”战略。总体来看，核聚变发电的实现仍需克服多项技术难题，但EAST的突破为这一目标提供了重要支撑。
聚变能被视为核能发展的终极目标。开展磁约束核聚变研究，除了用核聚变能源点亮世界，实现人类清洁能源梦想之外，聚变产业也在推动全链条产业的发展，比如超导、电源、材料、低温制冷等技术已应用在交通、医疗、航天等领域。徐国盛对《环球时报》记者说道：“聚变之路依然漫长，但每一次突破都在缩短理想与现实的距离。”