2017年7月3日：我國核聚變研究獲得重要突破的那一刻

2017年7月3日夜晚，國家大科學(xué)裝置—世界上第一個全超導(dǎo)托卡馬克（EAST）東方超環(huán)傳出捷報：實現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。這標(biāo)志著EAST成為了世界上第一個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運行持續(xù)時間達(dá)到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。這一具有里程碑意義的重要突破，表明我國磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運行物理和工程方面走在國際前列，對國際熱核聚變實驗堆（ITER）和未來中國聚變工程試驗堆（CFETR）建設(shè)和運行具有重大的科學(xué)意義。

核聚變能：人類未來的理想新能源

煤炭、天然氣、石油等化石能源因其不可再生而終將枯竭，人類未來的命運便在于尋找更加持久的清潔能源。能量巨大又不受制于地理條件限制且可作為主力能源的當(dāng)屬核能。核能分為核裂變能與核聚變能。前者已經(jīng)被人類用于發(fā)電，但裂變堆的核燃料蘊藏極為有限，放射性核廢料的處理也是世紀(jì)難題；核聚變能卻不存在上述問題，具有先天優(yōu)越性。核聚變能的物理基礎(chǔ)是氫的同位素氘和氚發(fā)生聚變核反應(yīng)。氘和氚基本沒有放射性，反應(yīng)的生成物是氦氣，對環(huán)境完全無害。核聚變的原料儲量也很豐富，氘可以直接從海水中提取，氚則可以通過氘和鋰反應(yīng)產(chǎn)生。據(jù)估算，一升海水中提煉出來的氘經(jīng)過核聚變反應(yīng)釋放出的能量相當(dāng)于300升的汽油。

如果人類掌握了核聚變，將擁有可使用十億年的清潔能源。但是，在地球上實現(xiàn)持續(xù)核聚變所需的條件極為苛刻，只有在上億攝氏度的高溫等離子體環(huán)境下才能實現(xiàn)自發(fā)的持續(xù)核聚變反應(yīng)。在地球上如何盛載上億攝氏度的高溫等離子體并加以約束控制，讓它們在其中持續(xù)性地發(fā)生核聚變，便是重大挑戰(zhàn)之一。

20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)科學(xué)家提出了磁約束的概念，并建成了一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器裝置，人稱托卡馬克。托卡馬克是一個由封閉磁場組成的“容器”，通電時，托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場，帶電粒子會沿封閉的磁力線做螺旋式運動，上億攝氏度高溫的等離子體就這樣被約束在這種環(huán)形的磁場中。托卡馬克核聚變實驗裝置被公認(rèn)為是探索、解決未來穩(wěn)態(tài)聚變反應(yīng)堆工程及物理問題的最有效的途徑。

東方超環(huán)：世界首個全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置

我國核聚變能研究始于20世紀(jì)五六十年代，盡管經(jīng)歷了長時間非常困難的環(huán)境，但始終能堅持穩(wěn)定、漸進(jìn)的發(fā)展，建成了兩個發(fā)展中國家最大的、理工結(jié)合的大型現(xiàn)代化專業(yè)研究院所，即中國科學(xué)院等離子體物理研究所和核工業(yè)西南物理研究院，目前正在運行的實驗裝置是東方超環(huán)裝置（EAST）和環(huán)流器二號裝置（HL-2A）。其中，由我國科學(xué)家自主研制并擁有完全知識產(chǎn)權(quán)的EAST裝置是世界首個全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置。EAST裝置在研制過程中，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，自主發(fā)展了68項關(guān)鍵技術(shù)，建成了20個子系統(tǒng)，完成裝置建設(shè)并實現(xiàn)工程調(diào)試一次性成功。形成了多個重大創(chuàng)新點，如大型超導(dǎo)磁體、超高真空、偏濾器、超導(dǎo)導(dǎo)體生產(chǎn)等，填補(bǔ)相關(guān)國內(nèi)空白并具有廣泛的應(yīng)用前景，一些獨創(chuàng)的技術(shù)得到了國際同行的贊賞和借鑒。

EAST裝置因其獨有的全超導(dǎo)、非圓截面及主動冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)三大特性和在高參數(shù)下開展穩(wěn)態(tài)實驗研究的能力，已經(jīng)成為國際磁約束聚變裝置中最前沿的國際開放的實驗平臺之一。EAST自2006年首次放電成功至今已開展了14輪物理實驗，總放電超過8萬次，先后創(chuàng)造多項托卡馬克運行的世界紀(jì)錄。其中2012年實現(xiàn)411秒2000萬度高參數(shù)偏濾器等離子體和30秒高約束等離子體運行；2016年實現(xiàn)電子溫度超過5000萬攝氏度持續(xù)時間102秒的超高溫長脈沖等離子體運行，以及獲得超過60秒的穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行；2017年實現(xiàn)穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，成為世界上第一個實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式運行持續(xù)時間達(dá)到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置；2018年實現(xiàn)了電子溫度1億攝氏度的等離子體運行……

參加ITER計劃：樹立“中國創(chuàng)造”品牌形象

中國在2006年正式參加了全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科技合作項目之一的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。我方承擔(dān)的ITER部件研發(fā)任務(wù)做到了100%合格、100%國產(chǎn)化、產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)度均處于ITER七方30多個國家之首。憑借先進(jìn)的研發(fā)工藝和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，通過國際競標(biāo)贏得了歐盟無法完成的大型超導(dǎo)磁體建造任務(wù)，研制世界上最大的導(dǎo)體 PF6采購包，自行設(shè)計研制的ITER高溫超導(dǎo)大電流引線成為ITER參加七方中首個通過測試驗收的ITER原型件，承擔(dān)的PF5導(dǎo)體成為ITER七方中首件交付ITER現(xiàn)場的大件產(chǎn)品。此外，還實現(xiàn)向歐美發(fā)達(dá)國家的技術(shù)輸出，部分產(chǎn)品國際市場占有率達(dá)到100%。

目前，EAST裝置已成為國際磁約束聚變裝置中最前沿的國際開放平臺之一。新的國家大科學(xué)裝置—聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合設(shè)施也正在建設(shè)當(dāng)中。為了推動中國聚變工程試驗堆（CFETR）項目，目前已經(jīng)開展了CFETR項目工程設(shè)計和關(guān)鍵部件預(yù)研系列工作。

2011年，時任國家副主席習(xí)近平在中國科學(xué)院等離子體物理研究所視察時指出，核聚變能研究工作為人類在選擇未來能源方面開辟了一條光明的道路。

在開發(fā)核聚變能的路上，我國已從“追趕者”跨越到“并跑者”，再到如今成為具備國際技術(shù)輸出能力的“領(lǐng)跑者”。中國聚變科學(xué)家們始終堅守人類的能源夢想并為之奮斗不息，爭取早日實現(xiàn)聚變能發(fā)電目標(biāo)，在中國點亮核聚變能的“第一盞燈”，為世界核聚變研究做出更多的貢獻(xiàn)。 （葉華龍）