人造太陽

不是掛在天空

而是以超導磁場約束

通過波加熱

讓等離子氣體達到上億度的高溫

發(fā)生聚變的大科學裝置

就像太陽一樣

為人類提供源源不斷的能量

“聚變是全人類的夢想?！?/span>這是李建剛對中國力量采訪組說的第一句話。

中國工程院院士，中國磁約束聚變專家委員會召集人李建剛。

李建剛是中國工程院院士，中國磁約束聚變專家委員會召集人，曾任中國科學院等離子體物理研究所所長，在合肥西郊的科學島上深耕近40年，致力于核聚變研究，是國家重大科學工程“EAST超導托卡馬克聚變裝置”輔助加熱系統(tǒng)的負責人。EAST裝置也被稱為“東方超環(huán)”，是我國自主設計建造的、世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。

簡單說來，因為這個裝置的目標是實現(xiàn)億度超高溫的核聚變，其能量爆發(fā)與太陽類似，也被稱為人造太陽。目前EAST已經實現(xiàn)了電子溫度1億度的超高溫并持續(xù)幾秒鐘。

中國科學院等離子體物理研究所。

控制大廳的外墻上，掛著8塊牌子，其中兩塊是“國際聚變能聯(lián)合中心”“世界實驗室 核聚變中心”。“科學無國界，核聚變研究可能是全世界科學家合作最好的一件事。”李建剛說。

核聚變是全世界能源發(fā)展的前沿方向，簡單說就是質量小的原子，主要是指氘，在超高溫高壓下碰撞，發(fā)生互相聚合，生成新的質量更重的原子核，比如氦。前蘇聯(lián)科學界發(fā)明了托卡馬克后，在1958年對全世界解密，包括中國在內的多個國家都陸續(xù)開展了對該領域的研究。

一個偶然的機會，讓中國的托卡馬克有了飛躍的機遇。

“上世紀90年代，在前蘇聯(lián)解體之前，蘇聯(lián)人打算把一個T7的半超導裝置贈送給其他國家，然后他們自己做一個更大的。我們的老所長霍裕平對蘇聯(lián)專家說，那就送給我們吧。這件事成為中國聚變史上的一個佳話，我們用價值400萬人民幣的生活物資，換了前蘇聯(lián)價值1800萬盧布的T7裝置。”事情雖然已經過去很久了，但講起這件事，李建剛還是很興奮?，F(xiàn)在，ESAT大廳門口還擺放著已經退役的T7，一米多高，像一個環(huán)形穿插進方塊里。

有了T7，所里就用這個裝置來學習吸收消化，拆解一遍，裝上一遍，再拆解一遍， “這樣大家就知道，原來托卡馬克是這樣的啊。”全所上下齊心努力，三年半之后，組裝出了自己的托卡馬克——合肥超環(huán)HT-7，而且比蘇聯(lián)的T7好很多：T7能做到1000萬度大概幾秒鐘，而合肥超環(huán)可以做到1200萬度持續(xù)400多秒。

不過，基于當時的條件，很多部件都無法實現(xiàn)國產，有時還要請俄羅斯專家來檢修。有一次，請來一位俄羅斯專家，下午5點多乘飛機抵達，那位專家先是要吃飯、要喝酒，后來又說累了要休息，全所上下幾百人就眼睜睜地等著他休息好?！皬哪菚r起，我們就下定決心，最關鍵的技術部分，一定要百分之百國產化?！?/span>

實現(xiàn)核聚變，半超導還不夠，一定要做全超導，世界各國的科學家都在朝這個方向努力，包括美國、韓國、日本、美國、印度等。經過10年的努力，中國科學院等離子體物理研究所于2006年建成了全超導的東方超環(huán)，并且關鍵的技術部分實現(xiàn)了百分之百國產！

采訪組到達時，正是東方超環(huán)的實驗季，不過，采訪組的運氣很好，當天早上，正好碰上EAST短暫的停機檢測，采訪組也有機會近距離和東方超環(huán)親密接觸。

與EAST的親密接觸：圖為EAST偏振干涉儀診斷裝置。

EAST控制大廳的外形像是一個巨大的圓形太空艙，科幻感十足。經過兩道閘門后，刷卡進入一個密閉的空間，我們見到了EAST的真容。

EAST裝置也被稱為“東方超環(huán)”，是我國自主設計建造的、世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克核聚變實驗裝置。

EAST給人的第一印象像是未來的機器蜘蛛，整個裝置重量約400多噸，中間是高11米、直徑8米的圓柱形大型超導磁體，由D形的超導線圈圍成的，實驗時，超導形成的磁約束，讓等離子體成為懸在空中的一團火球，不斷加熱，達到上億度的超高溫。周邊的高功率波加熱、中性束注入、低溫制冷、高功率電源、等離子體診斷、遙操作維護等系統(tǒng)像是伸出來的“腿”，支撐在大型超導磁體周圍。抬頭向上看去，一面五星紅旗矗立在EAST頂部。

在EAST前方，還展示了一些我國創(chuàng)新制造的部件，包括超導線、石墨瓦、鎢銅部件、高壓絕緣套筒與法蘭，以及世界最高參數(shù)的68KA超導高溫電流引線等，這些都是EAST能夠成功運行的基礎。

EAST控制大廳內，各國科學家就各項實驗數(shù)據(jù)進行監(jiān)測交流。

所里的技術人員把實驗一次叫“放一炮”，在EAST控制大廳里的超大屏幕上顯示著一個數(shù)字：87068，這意味著EAST已經放電87068次。實驗時，兩道閘門關閉，室外警報響起，隨著實驗人員輸入各種參數(shù)，大屏幕上開始倒計時，當?shù)褂嫊r歸零時，EAST開始加熱，磁約束下的那團氣體的影像會出現(xiàn)在大屏幕上，周邊是熾熱的紅黃色，中間是黑色。黑色，意味著達到了一億度的超高溫。幾秒后，火焰消失，一次實驗結束。

核聚變研究中應用的各方技術都代表著目前人類科技的最高水平，這些技術一旦轉化到其它產業(yè)中，也會帶來巨大的提升，為全人類服務。

“聚變的副產品就是海水淡化和氫。加熱的海水，高溫后汽化，最后冷卻回來自然就實現(xiàn)淡化了，而高溫產生的氫，可以提供大量的清潔能源?？梢哉f，把聚變中的這些技術用到國民經濟上，能夠把我們的生活質量大幅提高?！?/span>

核聚變，就像當年的信息革命、半導體革命，一旦能夠實現(xiàn)，整個人類社會都會發(fā)生革命性的變化。

科技革命往往也會伴隨著擔憂和質疑的聲音：又是核、又是高溫，會不會不安全？

“非常安全！”李建剛說，“我們實驗了20多萬次，失敗也有幾萬次，最多的損傷就是那團火球偏了，燒了內壁。因為，一旦出現(xiàn)情況，我們可以實現(xiàn)瞬間降溫、停止聚變，火球又變成氣體，基本沒有衍生災害?！?/span>

在采訪當日，EAST超導托卡馬克團隊的一個新成果在線發(fā)表在國際權威物理期刊Physical Review Letters（《物理評論快報》）上，在托卡馬克核聚變實驗裝置中，高約束等離子體的邊界區(qū)域會周期性地爆發(fā)出一種稱為邊界局域模（ELM）的不穩(wěn)定性，大幅度ELM類似太陽耀斑爆發(fā)。在前期成功探索、實現(xiàn)了雜草型小幅度邊界局域模（Grassy ELM）運行的基礎上，EAST超導托卡馬克團隊揭示了Grassy ELM產生的物理機制，進而利用這種自發(fā)的高頻小幅度Grassy ELM，發(fā)展出了一種高性能穩(wěn)態(tài)等離子體運行模式，并系統(tǒng)驗證了其與未來聚變堆若干運行條件的兼容性。

“通過聚變，一升海水就可以提供300升汽油的能量，而且，海水基本是取之不竭的。但是，要讓核聚變成為主要的能源還十分困難。”李建剛說。

難在哪里？它需要同時滿足三個條件，首先要有億度級的超高溫，其次是高溫要有足夠的持續(xù)時間，第三是持續(xù)產生高溫這個過程必須可控?！斑@不是單靠某一個科學家的智慧能夠解決的，必須要全世界的科學家聯(lián)合起來做。”李建剛說。

一個上億度的火球，現(xiàn)在最多只能做到持續(xù)幾秒鐘，離實現(xiàn)持續(xù)24小時、365天還有遙遠的距離?，F(xiàn)在的材料，幾百上千度就化了，上億度的高溫，對材料、對控制都有著極高的要求。

“超導材料的需求是百噸計的，過去，我們國家一年只能生產出幾十公斤，而現(xiàn)在，一家生產商一年就可以供應數(shù)百噸。但是，聚變下一步所需要的材料，是現(xiàn)在性能的數(shù)倍以上，目前很多材料和技術還無法滿足下一步實驗的要求?！?/span>

核聚變需要諸多尖端科學領域的合作。實現(xiàn)之后還有工業(yè)化的過程，作為能源產品，還要做到足夠便宜。

“這不是短時間可以實現(xiàn)的，可能需要幾十年，大規(guī)模經濟應用可能還要上百年，這也是全球科學家在這件事上可以合作的原因?！?/span>

EAST控制大廳內，各國科學家就各項實驗數(shù)據(jù)進行監(jiān)測交流。

在EAST控制大廳，我們見到了不少外國科學家，李建剛介紹說，上個月的某一周，EAST全部實驗是中美聯(lián)合實驗，有幾十位美國科學家加入進來。美國的DIII-D裝置也有差不多一個星期的聯(lián)合實驗?！暗较乱恢芪覀冞€會采取第2輪國際聯(lián)合實驗。”

聯(lián)合實驗也叫THIRD SHIFT，聯(lián)合實驗室是異地的，通過網(wǎng)絡，在圣地亞哥、在MIT、在普林斯頓就能參加EAST的實驗。“在EAST，一般白天是中國科學家，到了下午，就換成歐洲科學家，等到半夜，就是美國科學家。通過網(wǎng)絡，全世界的科學家都能參與其中?！鼻懊婵吹降氖澜缱罡邊?shù)的68KA超導高溫電流引線，就是我國提供給ITER的。

“中國是最有可能率先實現(xiàn)聚變發(fā)電的國家。”李建剛說。

“首先，中國有14億人口，而我們的人均能耗只有美國的1/6，我們的需求是巨大的。第二就是中國有體制優(yōu)勢，這十幾年來，中國的發(fā)展速度舉世矚目，因為中國可以堅定地實施中長期的規(guī)劃，可舉國之力辦大事?！?/span>

歐美的科學家，單兵作戰(zhàn)能力強過中國科學家，但多人集團作戰(zhàn)，就是中國科學家的優(yōu)勢，而聚變，恰恰是一個需要眾多人才長期努力的科學實驗，中國在這一領域的優(yōu)勢可能是全世界其他國家都沒有的。

目前，從全球來看，EAST一直處于領先位置，但我國不僅僅滿足于此，正在醞釀一個更大的計劃。

李建剛告訴記者，在科技部的支持下，他們正在籌劃建設一個新的聚變實驗堆，其規(guī)模要超過目前的ITER，“目前正在設計階段，有100多個單位、近800名科學家參與，希望5年能完成設計，建設要用10年的時間?！?/span>

目前ITER的功率是50萬千瓦，我國未來的新實驗堆將實現(xiàn)200萬千瓦，聚變功率大4倍。ITER并不能發(fā)電，而我們的新實驗堆將具有發(fā)電功能?！八裕覀兎浅Ｓ行判牡卣f，人類核聚變點亮的第一盞燈，一定會在中國。”

“我們很感謝深圳大學，為我們提供了一個人才培養(yǎng)的基地。”

科學島可以說是全世界聚變人才的培訓基地，在采訪中，李建剛院士告訴我們，目前全球各個聚變實驗室，都有科學島出去的人才。但能做聚變的地方還是太少了，一個博士，如果畢業(yè)以后不能從事聚變事業(yè)，而是進了其他什么企業(yè)，是他本人的知識浪費，也是國家有損失。

“聚變需要幾代人的努力，在EAST，70、80后開始成為主力，一旦新實驗堆建設啟動，這些人才就會有更大的用武之地?！?/span>

李建剛說，新實驗堆的選址主要參考幾個條件，“最好能在海邊，面積要足夠大，同時在建設中不受太多干擾，畢竟實驗是第一位的，不能天天讓人參觀。當然，由于投入巨大，也希望建到經濟實力強的地方?！?/span>

核聚變實驗堆要同時完成三件事，一是熱聚變發(fā)電，二是海水淡化，三是產氫，其安全性又強，而深圳目前又在集中力量打造大科學裝置群，也是一個不錯的選擇。

據(jù)悉，深圳大學于2017年6月29日成立了新能源研究中心，并于同年11月22日成立李建剛院士工作站。目前，中心已招收30多位博士后，圍繞中美核聚變聯(lián)合實驗室、EAST高水平實驗和等離子體應用、CFETR前沿科學技術研究等方向開展工作。