1.2亿摄氏度燃烧101秒
中国人造太阳是怎么造出来的
有一部小说叫《中国太阳》，讲的是农村小伙儿水娃不断奋斗，借助“中国太阳”工程成为深空宇宙开拓者，为人类解决能源问题的故事。
现实中，中国真的有“人造太阳”，而且有两个：一个在安徽合肥西郊“科学岛”上的中国科学院合肥物质科学研究院内，是有着“东方超环”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(简称EAST)；另一个则是位于四川成都中核集团核工业西南物理研究院的中国环流器二号M装置(HL-2M)。
5月28日，“东方超环”再次刷新了世界纪录：在其第98958次放电中，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，是1亿摄氏度20秒原纪录的5倍。这意味着人类让核聚变成为未来清洁新能源的努力，又一次取得了突破性进展，标志着我国在稳态高参数磁约束聚变研究领域将继续引领国际前沿。
那么，为什么有了太阳，还要造“太阳”？“人造太阳”长什么样？是怎么造出来的？记者带您一起探访——
理想的“终极能源” 一旦掌握了核聚变能，人类将实现“能源自由”
煤、石油、天然气，这些人类赖以生存的不可再生能源终有一天将被耗尽。人类面临着严重的能源危机和环境危机。如何从根本上解决这一问题？寻找新能源。
万物生长靠太阳。可以说，太阳是地球最大的能量来源，它的表面温度约6000摄氏度，内核温度约1500万摄氏度，像一个熊熊燃烧的大火球，每秒钟可散发出相当于1亿亿吨煤炭完全燃烧产生的能量。
太阳为什么能产生这么大的能量？因其内部持续不断的核聚变反应。而支撑这种聚变反应的主要原材料氘，在地球上的储量极其丰富。
据测算，从1升海水中提炼出的氘，经核聚变反应后释放的能量相当于300升汽油燃烧的能量。而海洋中蕴藏着约40万亿吨氘，理论上用于聚变反应释放的能量足够人类使用上百亿年，几乎无穷无尽。
由此，模仿太阳聚变反应原理造一个“太阳”，被科学家们认为是解决人类能源危机的最佳方案。
核聚变的原理是由质量较小的原子——如氢的同位素氘、氚，在极高温条件下使核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核相互碰撞聚合，生成新的质量更重的原子核氦，由于质量亏损和质能转换，释放巨大的能量。
“简单来说，地球上‘最容易’实现的氘氚核聚变反应的最终生成物是氦和携带能量的中子，而氦是非常清洁的。”中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的鄢容博士告诉记者，这是一种清洁能源，没有碳排放，没有放射性废料，也不会出现燃料棒熔断的灾难，比风能和太阳能稳定，被认为是一种理想的“终极能源”。“一旦掌握了核聚变能，人类将实现‘能源自由’。”
受益的无疑是整个人类社会。
形似“甜甜圈”，拥有“超燃”内核 超高温、超低温、超高真空、超强磁场、超大电流等极端环境“熔于一炉”
从上世纪50年代开始，世界科学家们便开始了在可控核聚变领域的研究。
通过科研人员的不懈努力，1994年，我国第一个圆截面超导托卡马克核聚变实验装置“合肥超环”(HT-7)研制成功，使我国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家，也是我国建成并投入运行的首个超导托卡马克装置。
这次创造新的世界纪录的主角——EAST则是在“合肥超环”基础上，由我国科学家自主研发的世界上第一个全超导磁体、非圆截面托卡马克实验装置，主体部分高11米、直径8米、重400多吨。
如此一个庞然大物，到底长什么样？有人说像一个巨大的罐子，有人说像一个大锅炉，还有人说像一个超大号的高压锅。而在致力于核聚变研究40年的中国工程院院士李建刚看来，EAST就像我们吃的甜甜圈一样。
不过这个“甜甜圈”与众不同，由真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成，四周布满了大大小小的辅助加热、诊断、抽气和冷却装置，零件数量相当于5架波音777飞机的零件总和。而且拥有“超燃”内核——超高温、超低温、超高真空、超强磁场、超大电流等极端环境“熔于一炉”。
这是一个“超难”的集合体。
据鄢容博士介绍，想实现聚变反应，首先要达到1亿摄氏度以上，使聚变燃料完全电离，并在保证等离子体密度的前提下，将高温等离子体维持相对足够长的时间，才可能释放出足够多的能量。“托卡马克的高温物质，就像是一群正在嬉戏打闹的淘气孩子，很难控制。温度、密度、时间这三个要素缺一不可，相互协调到最佳状态，才能实现稳态约束。”
实现上亿摄氏度点火是实现核聚变发电的两大难点之一。上亿摄氏度是什么概念？相当于太阳核心温度的6.67倍。
为了实现如此高温，科学家们采用了微波、中性束等多种加热手段。“家用微波炉的功率是500瓦左右，而EAST总功率有34兆瓦，相当于约6.8万台家用微波炉一起加热。”中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所王腾博士说。
然而，目前地球上最耐高温的金属材料钨的熔化温度是3000多摄氏度。用什么承载上亿摄氏度的高温等离子体？科学家们的方法是用磁场做成“笼子”，把那团上亿度的火球悬浮起来，使所有电离了的等离子体只能沿着磁力线运动，不让它与周边的任何容器材料接触，从而保护装置材料不被烧毁。据鄢容博士介绍，EAST由16个纵场线圈、14个极向场线圈构成，产生的磁场强度是地球磁场强度的近7万倍。
为了达到强磁场，“人造太阳”还需要超过12000安培的超大电流，强度是普通家用空调的数千倍，而承载大电流的线圈工作在零下269摄氏度的超低温度，就在距离1亿摄氏度高温约1米远的地方，上演了现实版的“冰火两重天”。“这就需要实现地表大气压约一千亿分之一强度的‘超高真空’来‘隔热’。”科研人员介绍说。
自立自强，“超级材料”中国造 盼望核聚变点亮的第一盏灯在中国
“超高温”与“超低温”共存，“超强磁场”与“超大电流”并行，要在地球上造出“人造太阳”，必须要有性能极其特殊的材料承载。超导便是其中之一。
“超导是一种在特殊条件下电阻为零的材料，利用这一特性可以避免导体发热，实现‘人造太阳’的长时间运行。”李建刚说，当年中国启动研制“人造太阳”的时候，超导技术控制在少数发达国家手中，向国外购买超导材料，有的出尔反尔不卖，有的开价高，还只卖三流产品。
材料被“卡脖子”，怎么办？我国科学家决定自己做。
边建设边研发。从超导材料、超导接头、超导配线，到大型磁体系统……如今我国已拥有世界先进的超导技术。“可以说，研制‘人造太阳’，也推动中国的超导材料产业前进了20年。”中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛介绍，如今中国已成为世界上超导材料的最大出口国，从被“卡脖子”的对象成为主供应商。
除此之外，还衍生出一系列重要的创新成果，在低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块，推动一大批高新技术成果实现转移转化。
随着EAST研制工作推进，2003年，我国正式以“平等伙伴”身份加入了国际热核聚变实验堆(ITER)计划。但在2001年之前，这个“俱乐部”一直将我国拒之门外。通过科研人员的不懈努力，如今，我们实现了从“跟跑”“并跑”到“领跑”的跨越，走向了世界聚变舞台的中心。
去年7月至今年4月底，EAST迎来了新一轮改造升级。此次实验实现1.2亿摄氏度101秒等离子体运行，是我国在国际上首次采用全金属主动水冷第一壁、高性能钨偏滤器等关键技术。“我们通过高功率的射频波加热，通过主动水冷偏滤器，通过精密的等离子体控制，特别是等离子体与材料强相互作用这一方面，克服了许多工程和技术方面的难题，使得EAST性能得到了很大的提高，这是取得这一次成绩的一个重要的保障。这一成绩的取得，也标志着我国在稳态高参数磁约束聚变研究领域处在国际领先水平。”中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所托卡马克物理研究室主任龚先祖说，这进一步证明核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定物理和工程基础。
“我最大的梦想就是在有生之年，让世界第一个核聚变反应堆率先在中国发电，一盏盏灯泡被核聚变能点亮，而且点亮的第一盏灯泡一定要在中国。”李建刚说。
◎链接
从用羽绒服换回设备到全球第一
全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)是我国批准立项的“九五”国家重大科技基础设施，拥有类似太阳的核聚变反应机制，因此也被称为“人造太阳”。
EAST的发展历程可追溯到上世纪90年代。当时，我国用羽绒服、牛仔裤、瓷器等生活物资，换了苏联价值1800万卢布的T-7半超导托卡马克装置。在经济非常困难的情况下，我国科研人员依靠自己的力量，对T-7及其低温系统进行了根本性改造。1994年，我国第一个圆截面超导托卡马克核聚变实验装置“合肥超环”(HT-7)研制成功。
在HT-7成功运行的基础上，“九五”国家重大科学工程HT-7U(后改名为EAST)立项，并多次刷新世界纪录。以下为其大事记：
●1998年7月，通过国家发展计划委员会立项。
●2000年10月，正式开工建设。
●2003年10月，HT-7U正式改名为EAST。
●2006年2月，首次工程调试成功；同年9月，成功获得首次高温等离子体放电。
●2007年1月，成功获得首次大拉长偏滤器位型放电。同年3月，通过国家竣工验收。
●2009年，成功获得稳定重复的60秒非圆截面双零偏滤器位型等离子体放电。
●2010年，成功实现了大于60多倍能量约束时间高约束模式(H模)等离子体放电，100秒1500万摄氏度偏滤器长脉冲等离子体放电。
●2012年，成功获得超过400秒的2000万摄氏度高参数偏滤器等离子体；获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电。
●2016年，实现电子温度超过5000万摄氏度、持续时间102秒的超高温长脉冲等离子体放电。
●2017年，实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录。
●2018年，实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦；在电子回旋与低杂波协同加热下，等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度。
●2021年5月28日，创造新的世界纪录，实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。
(本报记者 王珍)
