EAST局部。中國科學(xué)院等離子體物理研究所供圖
可控核聚變，被譽(yù)為“終極能源”，其原料幾乎取之不盡，且沒有污染——核聚變生成物為氦，不會產(chǎn)生高放射性核廢料。從自主建造全球首臺全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST到深度參與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER，從夸父大科學(xué)工程CRAFT到緊湊型核聚變裝置BEST，以及預(yù)研中的CFEDR，中國核聚變研究正從追趕者躍升為領(lǐng)域核心力量。
核聚變能，人類追求的“終極能源”
核聚變的原理是模擬太陽發(fā)光發(fā)熱，利用氫的同位素氘和氚的核聚變反應(yīng)，持續(xù)穩(wěn)定地釋放出巨大能量。可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置往往被稱為“人造太陽”。溫度和密度以及約束時(shí)間三者乘積，即“聚變?nèi)朔e”，是實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火的關(guān)鍵指標(biāo)。迄今為止，磁約束聚變和慣性約束聚變是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的兩種關(guān)鍵技術(shù)路徑，其中磁約束托卡馬克裝置最為主流。
20世紀(jì)五六十年代，各國科學(xué)家積極研究并探索多種可控核聚變技術(shù)方案，其中，托卡馬克技術(shù)以其出色的性能最受青睞。1958年，世界上第一臺托卡馬克裝置T-1在蘇聯(lián)成功建成并開始運(yùn)行。我國核聚變研究開始迅速起步。20世紀(jì)60年代，我國抽調(diào)多家單位人員在四川樂山組建585所（中國核能集團(tuán)西南物理研究院的前身），從事受控核聚變研究。此后，585所陸續(xù)研制“環(huán)流”（HL）系列常規(guī)導(dǎo)體托卡馬克裝置。
20世紀(jì)60年代中期，蘇聯(lián)科學(xué)家依托第三個托卡馬克裝置T-3成功實(shí)現(xiàn)1000萬度等離子體放電，這項(xiàng)突破性進(jìn)展引發(fā)國際核聚變界的高度關(guān)注。時(shí)任中國科學(xué)院物理研究所研究員的陳春先，以敏銳的洞察力率先關(guān)注到該技術(shù)突破。1972年，陳春先主持研制的CT-6裝置正式竣工，標(biāo)志著我國首臺托卡馬克裝置的問世。1978年9月，中國科學(xué)院等離子體物理研究所在合肥成立，在攻克多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)后，相繼研制出HT-6B等小型實(shí)驗(yàn)裝置，并于1984年底建成我國首個空芯變壓器托卡馬克裝置HT-6M。
20世紀(jì)80年代初，蘇聯(lián)研制的全球首個超導(dǎo)托卡馬克裝置T-7正式投入運(yùn)行，這一裝置開創(chuàng)性地通過超導(dǎo)技術(shù)，構(gòu)建強(qiáng)磁場約束高溫等離子體的新路徑，首次驗(yàn)證了超導(dǎo)磁體技術(shù)應(yīng)用在磁約束聚變裝置上的可行性，為以后超導(dǎo)磁約束裝置的發(fā)展奠定了第一塊基石。彼時(shí)，我國科研機(jī)構(gòu)中，等離子體所與585所均致力于常規(guī)托卡馬克裝置研究。
20世紀(jì)90年代，等離子體所接收了蘇聯(lián)T-7裝置的核心組件，并在霍裕平、萬元熙、翁佩德、邱勵儉等科學(xué)家的努力下，基于我國科研實(shí)際需求對其實(shí)施系統(tǒng)性技術(shù)改造，包括設(shè)計(jì)建造新的真空室、將T-7的48餅縱場線圈改造成24餅線圈等，大幅度提升了HT-7裝置的性能。2002年，HT-7裝置首次獲得了上千萬度分鐘級長脈沖等離子體運(yùn)行的物理成果。在接下來的幾年里，HT-7不斷延長放電脈沖，最長脈寬達(dá)400秒，刷新了當(dāng)時(shí)托卡馬克穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)長的世界紀(jì)錄。
20世紀(jì)90年代，等離子體物理所主持建設(shè)了全球首個全超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7U（后更名為EAST）。
自2006年投入運(yùn)行以來，EAST研發(fā)團(tuán)隊(duì)聚焦托卡馬克穩(wěn)態(tài)高性能等離子體前沿研究領(lǐng)域，系統(tǒng)攻克了等離子體芯部與邊界物理集成、高功率加熱系統(tǒng)注入耦合、第一壁材料排熱、精密控制系統(tǒng)構(gòu)建等重大科學(xué)難題與工程技術(shù)瓶頸。截至目前，累計(jì)完成等離子體運(yùn)行實(shí)驗(yàn)次數(shù)逾15萬次，持續(xù)優(yōu)化裝置運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行性能的階躍式提升，先后突破60秒、100秒、400秒等關(guān)鍵時(shí)間閾值。2025年1月20日，裝置成功實(shí)現(xiàn)億度高約束模等離子體1066秒穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，刷新托卡馬克裝置運(yùn)行時(shí)長世界紀(jì)錄。
憑借前沿科研成果與技術(shù)創(chuàng)新體系，EAST獲得國際科學(xué)界高度評價(jià)。依托建制化開放管理模式，該平臺現(xiàn)已面向全球50余個國家開展包括聯(lián)合實(shí)驗(yàn)、技術(shù)攻關(guān)及人才培育在內(nèi)的全方位國際合作。如今，EAST作為中國自主研制的“人造太陽”，已成為全球性開放共享科研平臺。
我國積極參與國際核聚變研究，話語權(quán)逐漸提升
在中國核聚變研究一步一個腳印前行時(shí)，國際核聚變研究也在推進(jìn)。20世紀(jì)80年代，已建成運(yùn)行的美國TFTR、歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）、日本JT-60等大型托卡馬克裝置的物理參數(shù)相比之前的中小型裝置有大幅提升，但還是不能達(dá)到聚變點(diǎn)火的要求。
在此背景下，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火的科研重心轉(zhuǎn)向依托下一代裝置。1985年，基于美蘇兩國共同倡議，歐共體（現(xiàn)稱“歐盟”）、日本等四方聯(lián)合發(fā)起國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃。ITER同樣采用全超導(dǎo)托卡馬克技術(shù)路線，旨在通過多國協(xié)同攻關(guān)，建設(shè)具備實(shí)現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)能力的實(shí)驗(yàn)堆，系統(tǒng)驗(yàn)證人類和平利用核聚變能的科學(xué)原理與工程可行性。
中國于2006年正式加入ITER。等離子體所不僅承擔(dān)了ITER計(jì)劃分配給中國的近75%的研發(fā)任務(wù)，更通過自主創(chuàng)新突破多項(xiàng)技術(shù)瓶頸。而EAST已成為ITER計(jì)劃最重要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺和典型“衛(wèi)星工程”。
2017年，ITER主機(jī)安裝工程啟動國際競標(biāo)時(shí)，等離子體所聯(lián)合中國核電工程有限公司、核工業(yè)西南物理研究院及法馬通核電服務(wù)有限公司等組建中方聯(lián)合體，攻克了ITER托卡馬克主機(jī)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、磁體饋線系統(tǒng)總裝技術(shù)和多項(xiàng)關(guān)鍵部件的研制裝配難題，按時(shí)按質(zhì)按量交付采購包任務(wù)。2019年，中方聯(lián)合體正式與ITER組織簽署TAC-1安裝合同，這是ITER托卡馬克裝置核心設(shè)備的安裝工程。這些突出表現(xiàn)，顯著提升了我國在聚變領(lǐng)域的國際話語權(quán)，中國團(tuán)隊(duì)承接的工程任務(wù)范圍也不斷擴(kuò)展。
ITER項(xiàng)目雖然原定于2025年完成，但最新進(jìn)度規(guī)劃顯示，ITER的首次等離子體放電時(shí)間一拖再拖，目前已調(diào)整至2034年。
BEST，有望點(diǎn)亮人類核聚變的“第一盞燈”
2016年，基于深度參與ITER累積的大科學(xué)工程經(jīng)驗(yàn)，中國提出重要戰(zhàn)略構(gòu)想：建設(shè)新一代聚變工程實(shí)驗(yàn)裝置——中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR），其工程規(guī)模與核心參數(shù)指標(biāo)方面甚至高于ITER。
這只是第一步。中國核聚變研究致力于實(shí)現(xiàn)聚變能開發(fā)“三步走”戰(zhàn)略——從實(shí)驗(yàn)堆到示范堆直至商業(yè)堆的遞進(jìn)式突破，目標(biāo)是在2050年實(shí)現(xiàn)核聚變能商業(yè)化。目前，隨著項(xiàng)目定位升級，CFETR已正式更名為CFEDR——中國聚變工程示范堆。從字母T到D的變化，意味著其定位已從實(shí)驗(yàn)堆轉(zhuǎn)為聚變示范堆建設(shè)。
項(xiàng)目啟動時(shí)，國際上的測試平臺在大型部件檢測與高參數(shù)實(shí)驗(yàn)方面已顯現(xiàn)局限性,為配套CFEDR的實(shí)施，我國同步啟動夸父大科學(xué)工程（CRAFT）。作為全球綜合性的聚變科研平臺，CRAFT主要承擔(dān)兩項(xiàng)核心使命：其一是為未來聚變堆研制主機(jī)系統(tǒng)組件，其二是通過技術(shù)攻關(guān)全面掌握下一代聚變堆關(guān)鍵技術(shù)體系，培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人才隊(duì)伍，最終實(shí)現(xiàn)聚變裝置全系統(tǒng)國產(chǎn)化目標(biāo)。
按規(guī)劃，CRAFT項(xiàng)目將于2025年全面建成，屆時(shí)將具備全球高參數(shù)、功能完備綜合性研發(fā)測試一體化平臺的能力，為我國聚變示范堆工程提供關(guān)鍵技術(shù)和裝備支撐。
由于未來反應(yīng)堆的建設(shè)規(guī)模較大，基于現(xiàn)實(shí)條件，中國科研團(tuán)隊(duì)審慎研判，提出建設(shè)緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BEST）的戰(zhàn)略規(guī)劃，作為EAST裝置的技術(shù)迭代與ITER計(jì)劃的重要銜接。科研團(tuán)隊(duì)充分運(yùn)用人工智能與先進(jìn)材料技術(shù)，讓BEST較EAST更為先進(jìn)，性能也進(jìn)一步提升。BEST已于2025年5月1日啟動工程總裝，我國核聚變研究由此從基礎(chǔ)科學(xué)研究邁向工程驗(yàn)證階段。
現(xiàn)在CFEDR已全面開展預(yù)先研究和設(shè)計(jì)，有望在不久的將來立項(xiàng)。在驗(yàn)證工程上的所有技術(shù)可行性后，我國將開始建設(shè)CFEDR這座真正能產(chǎn)生電能的示范堆發(fā)電站。
從EAST的科學(xué)驗(yàn)證到BEST演示發(fā)電，從深度參與ITER建設(shè)到CRAFT平臺建設(shè)，再到未來推動CFEDR工程示范堆立項(xiàng)，我國正在為“人造太陽”的早日應(yīng)用持續(xù)接力。同時(shí)，在大科學(xué)裝置的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行過程中，帶動了所需的超導(dǎo)材料、低溫系統(tǒng)、大功率電源等系統(tǒng)的研發(fā)和高端裝備制造的技術(shù)革新，實(shí)現(xiàn)了從聚變原材料到產(chǎn)品的自主供應(yīng)，徹底擺脫外部依賴。
核聚變研究并非坦途，期待國內(nèi)外學(xué)術(shù)界能凝心聚力，一同突破聚變能源革命的技術(shù)瓶頸，加速推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程，以期早日實(shí)現(xiàn)“終極能源”的探索目標(biāo)，讓“人造太陽”照亮人類的未來之路。
你問我答
問：核聚變會產(chǎn)生很高溫度，這個溫度是如何測量出來的？
張志會：核聚變產(chǎn)生的溫度可達(dá)到數(shù)百萬甚至上億攝氏度，遠(yuǎn)超常規(guī)溫度計(jì)的測量范圍。科學(xué)家通過以下間接方法測量：一種是光譜分析。高溫等離子體會發(fā)射特定波長的光（如X射線或可見光），通過分析這些光譜的強(qiáng)度、頻移（多普勒效應(yīng)）或展寬（斯塔克效應(yīng)），可以推算等離子體的溫度和密度。第二種是湯姆遜散射。用激光束照射等離子體，散射光的頻率變化與電子溫度直接相關(guān)，這是最精確的測量方法之一。第三種是中性粒子分析。測量從等離子體逃逸的中性粒子的能量分布，反推離子溫度。
問：這么高的溫度能讓絕大多數(shù)材料融化，可控核聚變實(shí)驗(yàn)是怎么在實(shí)驗(yàn)室里完成的？
蔡其敏：在核聚變實(shí)驗(yàn)里，為實(shí)現(xiàn)可控性，需運(yùn)用特定技術(shù)對高溫等離子體進(jìn)行約束，防止其直接觸碰容器材料。磁約束（如托卡馬克）中，借助超導(dǎo)磁體生成的強(qiáng)大磁場，令帶電粒子沿著磁力線做螺旋運(yùn)動，懸浮于真空腔內(nèi)，從而不與器壁相接觸。慣性約束（如激光聚變）時(shí)，采用高能激光或離子束瞬時(shí)壓縮靶丸，讓聚變在極短時(shí)間（納秒級）內(nèi)完成，使材料來不及熔化。第一壁材料是聚變裝置內(nèi)高溫等離子體與反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)之間的首道物理屏障，既要阻止等離子體接觸真空室壁材料，又要承受等離子體輻射帶來的極端熱負(fù)荷，以及聚變產(chǎn)物高能中子和帶電粒子的轟擊，防止材料受損。第一壁后方設(shè)有冷卻管道（如氦氣或者水循環(huán)），以迅速導(dǎo)出熱量。
（作者：張志會，系中國科學(xué)院自然科學(xué)史所研究員；蔡其敏，系中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所七級職員）
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