“人造太陽”重要性體現(xiàn)在哪里？

　　這要從核聚變能的優(yōu)點說起。相比核裂變，核聚變沒有放射性。氘和氚反應的生成物是氦氣，對環(huán)境無害，一旦造成反應的等離子體熄滅，聚變反應會終止。核聚變的原料儲量也很豐富，氘可以直接在海水中提取，氚則可以通過中子和鋰反應產(chǎn)生。據(jù)估算，一升海水中提煉出來的氘經(jīng)過核聚變反應釋放出的能量相當于300升汽油完全燃燒釋放的能量。核聚變能憑借資源無限、清潔環(huán)保，不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點，是目前認識到的、可以最終解決全球能源問題的重要途徑之一。一旦人類掌握了核聚變能，將擁有可使用上百億年的清潔能源。

　　東方超環(huán)這座大科學裝置對實現(xiàn)核聚變能有什么貢獻？

　　中科院合肥研究院副院長、等離子體所所長宋云濤介紹，這座大科學裝置的科學目標，正是從前期基礎研究出發(fā)，對受控核聚變相關(guān)的前沿物理問題展開探索性實驗研究，既著眼物理理論突破，同時驗證工程上的可行性，為將來打造真正的商業(yè)聚變堆、電站打下基礎。

　　太陽發(fā)生核聚變，主要依靠星球引力約束等離子體?？傻厍蛏蠜]有那么大引力，要想讓能量不失控，就需要借助磁場來約束。受控熱核聚變的實現(xiàn)離不開超高溫、超低溫、超強磁場、超大電流、超高真空的極限環(huán)境，科學家們用磁場做成“托卡馬克”這座“磁籠”，牢牢將高溫物質(zhì)控制住，磁場外面用真空隔絕，保護裝置材料不被燒毀。

　　盡管主流可控核聚變方式不止有磁約束這一種，還有慣性約束、引力約束等，但磁約束在實驗室條件下接近成功，也是國際上主流的研究方向。因此，托卡馬克核聚變實驗裝置被公認為是探索、解決未來穩(wěn)態(tài)聚變反應堆工程及物理問題的最有效的途徑，是地球?qū)ふ揖圩兡茉闯雎返南Ｍ?/p>

　　在東方超環(huán)這座大科學裝置的牽引下，衍生出一系列創(chuàng)新成果

　　從5000萬攝氏度放電30秒至60秒，再到百秒，再到1億攝氏度運行20秒……東方超環(huán)不斷刷新著放電紀錄。如果能較長時間維持1億攝氏度的高溫，實現(xiàn)接近1000秒的放電時間，將證明人類距離解決核聚變商業(yè)化應用的步伐更進一步。

　　每一秒的增長，在科學上都具有極高的難度，背后是科研人員夜以繼日的鉆研和嘔心瀝血的付出。

　　實現(xiàn)受控熱核聚變和穩(wěn)態(tài)約束等離子體，是國際共性科學難題。根據(jù)物理學理論“勞森判據(jù)”，核聚變點火條件包括核聚變?nèi)剂系臏囟?、密度和約束時間這三個要素。據(jù)等離子體所博士鄢容介紹，想實現(xiàn)聚變反應，首先要達到1億攝氏度以上，使聚變?nèi)剂贤耆婋x，并在保證等離子體密度的前提下，將高溫等離子體維持相對足夠長的時間，不泄露不逃逸，才可能釋放出足夠多的能量。托卡馬克的高溫物質(zhì)，就像是一群正在嬉戲打鬧的淘氣孩子，很難控制。溫度、密度、時間這三個要素缺一不可，相互協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)，才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)約束。

　　除了科學實驗難度高，作為集成系統(tǒng)，這個裝置對工程配合要求也極高。據(jù)了解，整個大科學裝置總共有48個窗口，零件數(shù)量相當于5架波音777飛機的零件總和。短短的數(shù)十秒運行中，任何一個零件失靈，任何一滴不該出現(xiàn)的水珠，任何一個停滯的環(huán)節(jié)，都會導致實驗風險?？蒲腥藛T不舍晝夜地實驗、調(diào)試，就是希望能更精確掌握等離子體的基本特性，研究改進磁籠子的形態(tài)和性質(zhì)，在看似雜亂無章的現(xiàn)象中發(fā)掘科學規(guī)律，提出長時間等離子體穩(wěn)定約束的最佳運行方案。

　　大科學裝置集高精尖技術(shù)于一身，其承載的意義早已不止追求科學目標本身。在東方超環(huán)這座大科學裝置的牽引下，衍生出了一系列重要的創(chuàng)新成果，形成了超導技術(shù)、低溫技術(shù)、等離子體技術(shù)、生物技術(shù)、材料技術(shù)、機器人技術(shù)等多個產(chǎn)業(yè)技術(shù)板塊，推動一大批高新技術(shù)成果實現(xiàn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了“一路摘瓜”“沿途下蛋”。

　　比如，質(zhì)子和重離子放療是目前國際公認最尖端的放射治療技術(shù)，一直被發(fā)達國家所壟斷。等離子體所利用大科學裝置的超導技術(shù)，積極研制國內(nèi)首套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用超導質(zhì)子癌癥治療系統(tǒng)，將大幅降低患者治療費用。

　　此外，等離子體還能治療皮膚病，有廣譜抗菌、加速凝血、促進細胞增殖、無耐藥性及副作用等優(yōu)點；等離子體所將大科學裝置離子束技術(shù)引入生物學科，致力于微生物新菌種的創(chuàng)制、發(fā)酵調(diào)控、產(chǎn)物分離分析及終端產(chǎn)品的研究和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。

　　據(jù)介紹，我國的核聚變研究與國際基本同步，甚至在聚變某些技術(shù)領域確立了領跑地位，在超導、穩(wěn)態(tài)控制、加熱等方面鞏固了中國特色。有國外期刊稱贊“中國創(chuàng)造了聚變歷史”“在這里科學價值得到極大體現(xiàn)”。

　　以東方超環(huán)項目為依托，科研人員參與了目前全球規(guī)模最大的國際科研合作項目

　　在國際科技合作方面，東方超環(huán)作為國際磁約束聚變裝置中最前沿的國際開放平臺之一，積極開展國際聯(lián)合實驗，促進了全面開放共享。

　　更重要的是，以這個項目為依托，我國科研人員參與了目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目ITER（國際熱核聚變實驗堆計劃）。該計劃的目標是在和平利用聚變能的基礎上，探索聚變在科學和工程上的可行性。包含中國在內(nèi)的多個國家參與了這個國家大科學項目，舉多國合力向受控聚變實驗堆邁進。

　　“東方超環(huán)很像ITER的縮小版，運行模式也都是采用了長脈沖高約束。我國科研人員在這個裝置上摸爬滾打這么多年，每個材料都摸過，每個環(huán)節(jié)都練過，真正積累了等離子體運行的實際經(jīng)驗，能在科學原理和工程建設上為ITER提供寶貴參考經(jīng)驗?！彼卧茲f。

　　當前，我國承擔了ITER10%左右的采購包，其中七成由中科院合肥研究院等離子體所承擔?？蒲腥藛T勇于擔當，直接爭取到ITER最重要的核心設備“超導磁體”的建造任務。這個任務風險很大，但科研人員不畏艱難，高效高質(zhì)交付了18個采購包制造內(nèi)容，涵蓋了ITER裝置幾乎所有關(guān)鍵部件, 由上百家科研院所和企業(yè)承擔。大電流高溫超導直流電纜、脈沖高壓變電站首臺主變壓器……自主研發(fā)的各項設備運到歐洲，獲得了合作伙伴的高度認可。也正因為他們的出色表現(xiàn)，我國直接拿下了整個裝置的總裝任務。2020年10月，ITER計劃啟動主體安裝工作，我國科研人員恪守承諾，確保安裝進度正常。

　　參與ITER項目十幾年，我國科研團隊獲得了深度參與國際科研合作項目的機會，積累了建造“人造太陽”的經(jīng)驗，在材料科學、超導技術(shù)等領域研發(fā)能力得到進步，為中國建造聚變工程實驗堆（CFETR）奠定了基礎。

　　“許多研究物理的年輕人通過在ITER的歷練，開闊了眼界，鍛煉了本領，回國后成為‘挑大梁’的骨干?！彼卧茲f，許多與合肥院合作的國內(nèi)企業(yè)，在生產(chǎn)超導材料、打造零部件方面達到水平一流，積累了國際工程管理、國際合作經(jīng)驗；一些企業(yè)甚至走出國門，拿到了國際訂單。

　　“作為東方超環(huán)的科研團隊，我們感到責任重大、使命光榮。近期，我們希望通過努力，向超高溫度更長時間的放電努力，產(chǎn)出一批原創(chuàng)性、戰(zhàn)略性、集成性創(chuàng)新成果；長期而言，我們盼望著能夠?qū)崿F(xiàn)大科學裝置能量輸出大于輸入，爭取在2040年前后建成聚變電站，讓千家萬戶早日用上核聚變能源，實現(xiàn)清潔能源夢想?！彼卧茲f。

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