讓“人造太陽”綻放更耀眼光芒
——記東華理工大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院教授張國書

謝更好

人口規(guī)模持續(xù)增長，化石能源逐年縮減，未來人類將不得不面對能源短缺的巨大威脅。那么，如何解除這個威脅呢？核聚變或許是一種“一勞永逸”的方法。核聚變的原材料容易找，每一萬個氫原子中就有一個是氘原子，每升海水中的氘聚變能夠放出的能量，相當(dāng)于燃燒300升汽油。如果單純根據(jù)地球海洋中氘資源總量估計，核聚變能可供人類使用數(shù)億年，甚至數(shù)百億年。

不過，人類要實(shí)現(xiàn)可控核聚變還面臨許多重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。為使可控核聚變從夢想變成現(xiàn)實(shí)，為讓人類用上取之不盡、用之不竭的超級能源，世界各國的科學(xué)家們正在進(jìn)行著不懈探索，東華理工大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院教授張國書就是其中一位。1987年從清華大學(xué)工程物理系反應(yīng)堆專業(yè)畢業(yè)后，他一直從事聚變堆物理及核工程設(shè)計研究工作?，F(xiàn)在，作為中國“天環(huán)一號”（CAT-1）偶極場聚變實(shí)驗大科學(xué)裝置的項目負(fù)責(zé)人，他正為建造穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的先進(jìn)聚變堆探索一條新路徑。

實(shí)現(xiàn)可控核聚變?nèi)沃氐肋h(yuǎn)

張國書

張國書介紹，因為太陽的原理就是核聚變反應(yīng)，所以可控核聚變俗稱“人造太陽”。核聚變不會產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的放射性核廢料，也不產(chǎn)生溫室氣體，基本不污染環(huán)境，所以核聚變能是一種清潔的超級能源。自然界中最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素——氘與氚的聚變，這種反應(yīng)在太陽上已經(jīng)持續(xù)了50億年。雖如此，人們認(rèn)識核聚變還是從氫彈爆炸開始的，正是從那時起科學(xué)家們就希望發(fā)明出一種裝置，可以有效控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定地輸出。

然而，可控核聚變需要達(dá)到上億攝氏度以上的溫度，這個特點(diǎn)讓科學(xué)家們一次次陷入絕望。因為這個相當(dāng)于太陽中心的溫度，在人類社會中幾乎沒有實(shí)現(xiàn)它的技術(shù)。而隨著科技的發(fā)展，終于有了能夠制造這種超高溫的技術(shù)，如激光。但是，更棘手的問題出現(xiàn)了，如此高的溫度，能讓世間一切材料化為灰燼。用什么樣的裝置才能夠?qū)⑸蟽|攝氏度的物質(zhì)約束在一處，使其能夠持續(xù)不斷地產(chǎn)生能量，以供人類利用呢？

科學(xué)家們立刻想到了磁場，在上億攝氏度的高溫狀態(tài)下，物質(zhì)呈現(xiàn)等離子態(tài)，它們可以被磁場約束。當(dāng)高溫等離子體被約束后，就可以持續(xù)地向這團(tuán)等離子體中加入氚和氘，使其發(fā)生聚變，產(chǎn)生源源不斷的聚變能。所以，實(shí)現(xiàn)可控核聚變的關(guān)鍵，是設(shè)計出一款能夠約束超高溫等離子體的磁場裝置。

一時間，各式各樣的磁場約束裝置紛紛登場，又一一敗下陣來。1968年是人類可控核聚變研究史上及其重要的一年。這一年，蘇聯(lián)科學(xué)家阿爾齊莫維奇發(fā)布了托卡馬克磁約束方案，讓人們第一次看到可控核聚變的曙光。不過，早期的托卡馬克裝置卻因為線圈電阻大造成了能量的大量損耗甚至入不敷出。這個缺點(diǎn)幾乎給托卡馬克裝置判了死刑。但幸運(yùn)的是，一項新技術(shù)拯救了托卡馬克裝置，這就是超導(dǎo)技術(shù)。

“超導(dǎo)技術(shù)很好地解決了磁場電阻造成能量損耗的問題，使得托卡馬克裝置迎來了第二春。利用超導(dǎo)技術(shù)，世界上建成了一座超導(dǎo)托卡馬克裝置，另外還有三臺半超導(dǎo)托卡馬克裝置。而世界上唯一一臺全超導(dǎo)托卡馬克裝置，則是我國的東方超環(huán)（EAST）?！睆垏鴷榻B。

中國原創(chuàng)的“東方超環(huán)”屬于世界最先進(jìn)的可控核聚變裝置，2015年，東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)了最長時間的高溫偏濾器等離子體放點(diǎn)和最長時間的高約束等離子放電，標(biāo)志著我國可控核聚變已經(jīng)代表了國際可控核聚變研究的最高成就。2017年，“東方超環(huán)”在全球首次實(shí)現(xiàn)了百秒以上的穩(wěn)態(tài)高約束運(yùn)行模式，再次創(chuàng)造了人類可控核聚變研究的新高度。

“在托卡馬克裝置的研究上，我國雖然不是首創(chuàng)者，但是卻是研究最深入、最持久的國家。從‘中國環(huán)流器一號’到‘中國環(huán)流器新一號’，再到‘中國環(huán)流器二號’，我國對托卡馬克裝置的研究一直沒有停止過，而且取得了不俗的成績。到了EAST，它的意義不僅僅是讓我國可控核聚變技術(shù)于領(lǐng)先世界，更是標(biāo)志著中國已成為了世界可控核聚變研究中的領(lǐng)導(dǎo)者。”張國書說，“這與國家的重視密不可分。不得不提的是，我國在可控核聚變研究的起跑線上，并沒有落后?！?/p>

我國可控核聚變起步很早，幾乎和原子彈研究同一時間開始。當(dāng)世界各國科學(xué)家們紛紛尋找可控核聚變方案的時候，我國科學(xué)家們也同樣在埋頭研究。早在20世紀(jì)90年代，我國政府就制定了“壓水堆—快堆—聚變堆”三步走的核能發(fā)展戰(zhàn)略；2006年國家又正式簽署了加入國際熱核聚變實(shí)驗堆(ITER)建造的文件，同年政府又頒布實(shí)施了《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》，明確表示支持發(fā)展托卡馬克為主的磁約束聚變途徑；2013年，經(jīng)國務(wù)院同意,在科技部牽頭協(xié)調(diào)下，中國啟動了中國聚變工程實(shí)驗反應(yīng)堆(CFETR)的設(shè)計預(yù)研,這表明中國將獨(dú)自設(shè)計建造世界第一座具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的氚自持功率運(yùn)行聚變工程實(shí)驗反應(yīng)堆，這對中國2050年實(shí)現(xiàn)聚變能源的商業(yè)化開發(fā)，具有重大的科學(xué)和戰(zhàn)略意義。

雖如此，張國書清楚，不管是我國還是全世界，要實(shí)現(xiàn)可控核聚變還有很長的路要走，而這也是促使他以及其他科研工作者不斷去探索的動力所在。

披荊斬棘30年的核能老將

從入讀清華大學(xué)工程物理系反應(yīng)堆專業(yè)開始，張國書就邁入了核能研究領(lǐng)域，并且隨著我國核能戰(zhàn)略的變化，他的研究方向和工作重點(diǎn)也在不斷進(jìn)行著調(diào)整。

張國書的家鄉(xiāng)在四川成都，那里有很多核彈工廠和核武器研究機(jī)構(gòu)，于是核武器就成了大家茶余飯后的閑聊話題。聽著核武器故事長大的張國書自然對這些產(chǎn)生了興趣?？即髮W(xué)時，他報考了清華大學(xué)的相關(guān)專業(yè)。以為要研究核武器的張國書到清華后發(fā)現(xiàn)，所在工程物理院系雖之前是研究核武器的，但后來已轉(zhuǎn)向民用，做核電站研究。

張國書學(xué)的是裂變堆相關(guān)專業(yè)，主要學(xué)中子學(xué)，聚變堆有兩塊知識，一是怎樣把等離子體加熱反應(yīng)；二是反應(yīng)后怎樣用這些能量去發(fā)電?！拔也皇茄芯康入x子體，而是研究怎樣把產(chǎn)生的能量拿來發(fā)電，包括核工程設(shè)計、材料研發(fā)這些。”張國書說。

雖然他學(xué)的是裂變，但因為用的軟件、方程、理論一樣，所以裂變與聚變基本上是相通的。也正因為兩者之間有相通性，所以這也成了張國書畢業(yè)后選擇到核工業(yè)西南物理研究院從事聚變堆物理及核工程設(shè)計研究工作的一個原因。

從清華大學(xué)畢業(yè)時，秦山核電站、大亞灣核電站還在建設(shè)中，由于位置偏僻、工作條件艱苦，很多人都不愿意去，有些人畢業(yè)后甚至都改行了。因為熱愛，張國書選擇繼續(xù)留在核能領(lǐng)域。

在核工業(yè)西南物理研究院，張國書拿到了碩士、博士學(xué)位，2004年被聘為研究員。在那里工作的30多年時間里，有一半的時間張國書是在做混合堆相關(guān)工作。

“我們做了聚變-裂變混合堆系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化、包層屏蔽中子學(xué)、核數(shù)據(jù)庫及經(jīng)濟(jì)性分析等工作。當(dāng)時國家在能源領(lǐng)域要發(fā)展三個堆，即快堆、聚能堆、混合堆。但到2000年時混合堆被砍下來了，因為它的聚變堆芯還不成熟，在國內(nèi)達(dá)不到聚變反應(yīng)條件。所以我一畢業(yè)就開始做混合堆工作，做了13年，到2000年才改做其他工作?！?/p>

混合堆下馬，老專家退休，年輕人“下?！?，最后張國書所在的研究室留下的人寥寥無幾，他就是其中一位。面對慘淡局面，張國書重新找方向、自己找經(jīng)費(fèi)，在國家自然科學(xué)基金、原總裝備部國防基礎(chǔ)研究探索基金的支持下，開展了“聚變堆用高溫超導(dǎo)體的中子輻照特性研究”及“毫米波耦合腔行波管可行性研究”工作，度過了那段艱難的日子，也積累了一些新的經(jīng)驗。

2003年，之前被擱淺的ITER計劃被重新提起，這又為張國書提供了一個自我提升的機(jī)會。他提出的固態(tài)包層建議在與同行的激烈競爭中勝出，并得到了科技部的支持，2009年ITER國內(nèi)配套課題“固態(tài)增殖劑T B M設(shè)計與關(guān)鍵工藝研究”正式立項，作為中國聚變示范堆（DEMO）固態(tài)氚增殖包層設(shè)計組組長，中國ITER氦冷固態(tài)增殖劑模塊（HCCB TBM）及輔助系統(tǒng)總體設(shè)計組組長，張國書帶領(lǐng)課題組實(shí)現(xiàn)了TBM在中國從無到有的突破。

2013年，中國啟動了CFETR的設(shè)計預(yù)研工作，因在之前幾個項目中的出色表現(xiàn)，張國書被委以重任，作為CFETR堆芯參數(shù)優(yōu)化設(shè)計工作組組長、聚變堆物理組組長，帶領(lǐng)課題組對針對CFETR堆芯參數(shù)設(shè)計優(yōu)化這個課題進(jìn)行了不懈攻關(guān)。

“這是一個大科學(xué)工程，當(dāng)時由中科院主導(dǎo)，他們提出了一個超導(dǎo)方案，我們想獨(dú)立做一個方案，最后拿出了銅方案，但經(jīng)過協(xié)調(diào)我們的方案最終被放棄了?！睆垏鴷恢眻猿肿鲢~方案，因為比起超導(dǎo)，銅有很多優(yōu)點(diǎn)，單就成本來說，銅是超導(dǎo)的三分之一，而且超導(dǎo)風(fēng)險太大，但為了顧全大局，他還是放棄了自己的想法。提起這件事，張國書心里還是覺得很可惜。

也許這也是他后來選擇到東華理工大學(xué)任教的直接原因。張國書是一個很有想法的人，常常會迸出一些很有創(chuàng)意的點(diǎn)子，為了讓這些想法很好地去實(shí)現(xiàn)，在他看來可能換個環(huán)境會更好。相對來說，高校就是這樣一個所在，比起研究院參數(shù)已定、任務(wù)已定的科研模式，高?；蛟S更自由。

2018年，恰逢東華理工大學(xué)在海內(nèi)外公開招聘院長和重點(diǎn)實(shí)驗室主任的機(jī)遇，張國書投了簡歷并通過了各項考核，作為江西省創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才被引進(jìn)東華理工大學(xué)。這位已經(jīng)在核能研究領(lǐng)域披荊斬棘30年的老將，在這里開啟了新征程。

為先進(jìn)聚變堆探索新路徑

為了給建造先進(jìn)聚變堆探索一條新路徑，來到東華理工大學(xué)后，張國書為自己的研究開辟了一個新領(lǐng)域。

張國書介紹，托卡馬克磁約束聚變無疑是目前世界各國投入最大、取得的物理實(shí)驗水平最高、工程技術(shù)及材料開發(fā)最成熟的技術(shù)途徑。盡管如此，類似ITER和CFETR等基于氘氚燃料托卡馬克聚變堆的商業(yè)化仍然面臨許多重大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)問題，比如等離子體穩(wěn)定與控制、氚自持、材料中子輻照、第一壁高熱負(fù)荷、極端多物理環(huán)境等問題，尤其材料問題在未來較長時間內(nèi)是無法解決的。而另一研究相對成熟的磁約束聚變裝置——仿星器，雖然可以解決托卡馬克存在的部分問題，如穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，但是其工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時也存在托卡馬克存在的其他的一些問題，如材料問題。然而，解決這些問題對于漂浮磁偶極場裝置來說相對容易。磁偶極場裝置具有工程結(jié)構(gòu)簡單、無破裂、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、極高比壓（100%）、交換模穩(wěn)定、漂移波穩(wěn)定及無邊緣局域模的優(yōu)勢，因此它極有可能成為未來理想的商用聚變反應(yīng)堆。

在關(guān)注偶極場聚變物理裝置在美國、日本取得的新實(shí)驗進(jìn)展，認(rèn)真分析其理論和實(shí)驗經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對我國基礎(chǔ)科研發(fā)展的戰(zhàn)略需求，結(jié)合自身的研究經(jīng)歷，張國書提出開展偶極場聚變等離子體基礎(chǔ)物理及實(shí)驗裝置建造的建議，并獲得江西省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項目的支持。

團(tuán)隊骨干成員與浙江大學(xué)聚變中心陳騮教授（右三）交流合影

該項目將對中國第一個偶極場聚變實(shí)驗裝置——中國“天環(huán)一號”（CAT-1）的建造開展預(yù)研工作。預(yù)研工作依托東華理工大學(xué)，旨在完成裝置設(shè)計及其技術(shù)可行性研究，為下一步江西省和國家擬共建的C A T-1偶極場大科學(xué)實(shí)驗裝置的實(shí)際工程建造提供基于科學(xué)依據(jù)和堅實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的設(shè)計方案。

在項目攻關(guān)中，張國書將帶領(lǐng)團(tuán)隊探索裝置在高溫等離子體下的湍流及其所驅(qū)動輸運(yùn)的抑制機(jī)理；為獲得裝置高溫等離子體，解決實(shí)驗方案創(chuàng)新設(shè)計的理論和方法問題；將研究復(fù)雜電磁—熱環(huán)境下超導(dǎo)磁體穩(wěn)定性；研發(fā)閉環(huán)超導(dǎo)磁體運(yùn)行的高可靠性超導(dǎo)開關(guān)，可拔除式的超導(dǎo)磁體供冷/供電系統(tǒng)，高真空快速獲得和檢測技術(shù)，大型、低漏率（<5×10-9Pa.m3/s）及高穩(wěn)定性真空室。

通過攻關(guān)，張國書希望實(shí)現(xiàn)這些科研目標(biāo)：完成CAT-1實(shí)驗裝置的物理和工程設(shè)計，等離子體密度和溫度分別達(dá)到5×1019m-3和500e V及以上，真空室半徑4m、超導(dǎo)環(huán)外表面磁場不小于5T，領(lǐng)先國際現(xiàn)有同類裝置；完成裝置選址和經(jīng)費(fèi)預(yù)算；建設(shè)數(shù)值模擬及設(shè)計平臺；建造非真空懸浮磁體系統(tǒng)模擬實(shí)驗裝置，用于懸浮線圈穩(wěn)定性及平衡控制技術(shù)研發(fā)；建造LN2/LHe低溫試驗平臺，用于超導(dǎo)開關(guān)、失超保護(hù)及穩(wěn)定性等技術(shù)研發(fā)；建造真空系統(tǒng)模擬測試平臺，用于高真空快速檢漏技術(shù)研發(fā)。

張國書介紹，在CAT-1裝置的設(shè)計中，偶極場聚變裝置等離子體理論研究和數(shù)值模擬軟件、懸浮超導(dǎo)環(huán)磁體和控制技術(shù)等在國內(nèi)還是空白，是本項目的難點(diǎn)，也是重點(diǎn)。超導(dǎo)環(huán)的大小、形狀和材料等將直接影響裝置其他部件的研制及等離子體的約束性能；真空室的尺寸和材料等也是中國天環(huán)裝置實(shí)驗?zāi)芊襁_(dá)到預(yù)期的關(guān)鍵，這將為研究帶來不小的挑戰(zhàn)。但目前，我國在聚變實(shí)驗裝置的設(shè)計建造和運(yùn)行方面積累了豐富的經(jīng)驗，已為CAT-1裝置的設(shè)計建造以及未來的實(shí)驗運(yùn)行打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)，中國有實(shí)力應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

用一輩子做好一件事

裝置設(shè)計研發(fā)任務(wù)的順利立項、推進(jìn)，離不開學(xué)校、政府及國內(nèi)外其他合作伙伴的鼎力支持。

“我的運(yùn)氣很好，2018年到東華理工時，國務(wù)院剛好印發(fā)了《積極牽頭組織國際大科學(xué)計劃和大科學(xué)工程方案》，江西省領(lǐng)導(dǎo)很重視，通過江西省科技廳下發(fā)文件到各個大學(xué)、研究所，希望征集發(fā)展大科學(xué)裝置的題目。一共匯總上報了19個，很幸運(yùn)我提出的是19個里唯一被選中要重點(diǎn)扶持的。當(dāng)時省里主管這個項目的領(lǐng)導(dǎo)表示，愿意批300畝地，撥款2億～3億元支持我們的大科學(xué)裝置研究。后來項目又代表江西省報到了科技部。2019年6月，我們又報了一個國際大科學(xué)裝置的培育項目。2020年江西省人大會議把我們的大科學(xué)裝置作為人大提案提交給全國人大審議。項目不僅得到了江西省委領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)孫占學(xué)校長、湯彬副校長更是親力推進(jìn)項目的開展，為此傾注了很大心血。”提起大家的支持，張國書滿懷感激。

令張國書感到欣慰和感激的還不止這些。國際磁約束聚變屆大師級等離子體理論物理學(xué)家、浙江大學(xué)聚變中心前主任陳騮也非常支持這項工作。其實(shí)懸浮偶極場裝置的概念，是陳騮教授和他的導(dǎo)師Akira Hasegawa教授最早提出的，但后來他改作其他，沒再繼續(xù)做這項研究。當(dāng)聽說有人要拾起這項研究時，他非常高興，已經(jīng)70多歲的陳騮教授一直在關(guān)心著項目的進(jìn)展。中國磁約束聚變首席科學(xué)家、原中科大科技委副主任萬元熙院士也對項目非常感興趣，以個人名義參與到項目的推進(jìn)中，項目每取得一個進(jìn)步，他都為此開心不已。正是因為有這么多人的關(guān)注，項目才得以順利推進(jìn)。

2020年年初，項目組邀請全國專家把脈做論證，專家建議分兩步走，先建小裝置，再申報國家大裝置。按照這個步驟，張國書帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊，聯(lián)合國內(nèi)的浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國工程物理研究院材料研究院、清華海峽研究院、北京大學(xué)、西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、武漢大學(xué)、中南大學(xué)及日本的九州大學(xué)在穩(wěn)步開展著一系列工作。他們計劃在“十四五”把小裝置建起來，“十五五”立項國家裝置。

張國書希望通過項目帶動，能讓學(xué)生盡快成長起來，建立一支能打硬仗的獨(dú)立團(tuán)隊。他還希望跟中科院、各大學(xué)、日本的研究機(jī)構(gòu)成立聯(lián)合的研發(fā)中心，組建一支強(qiáng)大的外圍團(tuán)隊，共克難題。他希望，通過高端項目為江西省吸引大批的優(yōu)秀人才。他更希望讓中國對國際磁約束聚變發(fā)展產(chǎn)生更大的影響力。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，張國書已做好長期全身心投入這件事的準(zhǔn)備，他說：“人一輩子不可能什么都去做，畢竟生命有限，但專注做一件事，看似簡單，其實(shí)是對毅力與恒心的考量，但我愿意接受這樣的考量?！?/p>

為夢想而堅持，專注的人生定會精彩絕倫。