從去年7月開始，素有“人造小太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）開始迎來中期改造，這也是自2006年該實(shí)驗(yàn)裝置建成放電后的最大規(guī)模的改造。3月26日，記者在EAST改造現(xiàn)場獲悉，實(shí)驗(yàn)裝置預(yù)計(jì)將于4月內(nèi)完成升級啟動新一輪物理實(shí)驗(yàn)，并將沖擊更高的科學(xué)目標(biāo)。
誤差是毫米級，一個螺栓都不能錯
EAST控制大廳中央的電子屏上一直播放著數(shù)字96914，這是從2006年至今的實(shí)驗(yàn)放電次數(shù)。每一次實(shí)驗(yàn)，內(nèi)部人員稱之為“一炮”。但這個數(shù)字從去年6月20日之后，沒有再增加了。
自2020年7月開始，有“人造小太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）開啟了新一輪升級改造，整個改造預(yù)計(jì)將于今年4月完成。
EAST升級改造項(xiàng)目內(nèi)部施工負(fù)責(zé)人胡凱說，近百人的科研工程團(tuán)隊(duì)每天超過12個小時“爭分奪秒”工作，從春節(jié)前到現(xiàn)在一直沒有休息。
記者在改造現(xiàn)場看到：巨大的行車在這個約三層樓高的裝置上方來回穿梭，正將鎢銅鑄造的第一壁“瓦片”吊入EAST內(nèi)部環(huán)形真空室中。一位工程人員告訴記者：為了追求更小誤差，整個實(shí)驗(yàn)裝置更換的“瓦片”，包括螺栓在內(nèi)，有數(shù)千件，都是編好號碼后一一對應(yīng)的更換?！罢`差是毫米級的，每一個螺栓都有它固定的位置，一點(diǎn)也不能錯?！?/p>
參與此次升級改造的中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所王騰博士表示，改造一直按計(jì)劃進(jìn)行，目前已經(jīng)進(jìn)入尾聲。
“目前整個實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)進(jìn)入降溫階段，整個超導(dǎo)磁體的溫度已經(jīng)降至零下80攝氏度左右，當(dāng)整個磁體溫度降至零下269攝氏度的時候，實(shí)驗(yàn)裝置將進(jìn)行工程調(diào)試，在那之后，改造后的實(shí)驗(yàn)裝置將在今年夏天啟動改造后的第一次放電實(shí)驗(yàn)。”王騰說。
“中年”EAST將沖擊更高目標(biāo)
始于去年7月的改造也是“EAST”自2006年建成放電后最大規(guī)模的升級改造，甚至也是EAST在整個生命周期中最重要的一次“升級”。
“聚變實(shí)驗(yàn)裝置國際通用運(yùn)行壽命都在20至30年，”王騰博士告訴記者：“EAST項(xiàng)目于1998年立項(xiàng)，2000年開工建設(shè)，2006年9月26日建成放電，到今年剛好十五年。對于一個實(shí)驗(yàn)裝置而言，正是'人到中年’?！?/p>
經(jīng)過多年打磨，“中年”EAST的運(yùn)行愈加沉穩(wěn)。但要想沖擊更高的科學(xué)目標(biāo)，對于實(shí)驗(yàn)裝置的升級改造也勢在必行。
中科院等離子體物理研究所研制中心主任吳杰峰說，“'人造太陽’非常復(fù)雜，要讓上億攝氏度高溫與零下269攝氏度低溫1米內(nèi)共存，上萬個零部件，有一點(diǎn)點(diǎn)瑕疵，未來實(shí)驗(yàn)可能就會失敗?！?/p>
因此，EAST本次升級改造有兩件大事，都和溫度有關(guān)。
第一件事是要更新核心部件“第一壁”的材料，將下偏濾器由石墨材料換成鎢銅材料。
為什么要換材料？王騰給記者講述了改造的基本邏輯。“這就好比人要喝熱水，喝60攝氏度以下沒問題，但要喝更高溫度的水，抿一小口也沒問題，但是持續(xù)喝人就會受不了。同樣，EAST實(shí)驗(yàn)裝置放電時，等離子體的溫度可以達(dá)到1億攝氏度，但想要長時間運(yùn)行如此高溫等離子體，如果'第一壁’材料耐熱性能不達(dá)標(biāo)，就會出問題?！?/p>
王騰告訴記者：EAST裝置“第一壁”最初的熱負(fù)荷功率大約是每平方米1兆瓦，現(xiàn)在的熱負(fù)荷功率則提高到了每平方米20兆瓦，“改造前后性能提升20倍。”
第二件事則是要調(diào)整輔助加熱系統(tǒng)。眾所周知，EAST是一個圓柱形裝置，分布了十六個窗口，這些窗口分別連接了不同的輔助加熱系統(tǒng)，其中包含多套“射頻波加熱”系統(tǒng)和“中性束注入”系統(tǒng)來給等離子體加熱升溫，對比改造前后EAST裝置，輔助加熱系統(tǒng)的窗口進(jìn)行了重新調(diào)整，以追求更優(yōu)的空間布局和更高的加熱效率。
什么是“射頻波加熱”系統(tǒng)呢？“它的工作原理類似于生活中的家用微波爐，只不過加熱的不是食品而是等離子體?！蓖躜v說，“它的功率更是家用微波爐的數(shù)萬倍，可以說是中國最大的'微波爐’了，可以將等離子體加熱到上億度高溫。”
411秒的世界紀(jì)錄始終未被打破
在完成改造后，從今年起，EAST將沖擊更高參數(shù)等離子體放電。
合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所曾將“EAST”的科學(xué)目標(biāo)歸納為“三個一”：1兆安、1億攝氏度和1000秒。
其中，“1兆安”是指EAST內(nèi)等離子體的電流強(qiáng)度；“1億攝氏度”則是指等離子體芯部溫度；“1000秒”是指長脈沖等離子體持續(xù)放電時間。
在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，若以“單科成績”算，“1兆安”和“1億攝氏度”的目標(biāo)已經(jīng)完成了，只剩下“1000秒”。
2012年，EAST成功獲得超過411秒的兩千萬攝氏度高參數(shù)偏濾器等離子體；獲得穩(wěn)定重復(fù)超過30秒的高約束等離子體放電。兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均創(chuàng)下世界紀(jì)錄。
“從2012年到現(xiàn)在，411秒的世界紀(jì)錄始終未被打破?！蓖躜v說，“可見，想要延長這個時間有多難?！?/p>
時間意味著什么呢？EAST被稱為“小太陽”，真實(shí)的太陽已經(jīng)燃燒了45.7億年，其內(nèi)部的核聚變還將持續(xù)50億至60億年。同樣，“小太陽”穩(wěn)定放電時間越長，意味著人類對于核聚變的控制技術(shù)越高超，也為未來穩(wěn)態(tài)、安全、高效的先進(jìn)商業(yè)聚變堆提供物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)。
實(shí)際上，EAST對“時間”的追求并不是單維度的，而是結(jié)合“溫度”和“電流強(qiáng)度”的一個綜合指標(biāo)。
2012年的411秒是在2000萬攝氏度的條件下實(shí)現(xiàn)的，此后，EAST又相繼實(shí)現(xiàn)了“10秒、1億攝氏度”和“20秒、1億攝氏度”，未來，長脈沖高溫等離子體將成為EAST的主攻方向之一。
距離點(diǎn)亮第一只燈泡還有多遠(yuǎn)？
想象一下，一個氚的原子核和一個氘的原子核以極大的速度，赤裸裸地碰撞，結(jié)合成1個氦原子核，并釋放出17.6兆電子伏特能量。這就是太陽內(nèi)部每時每刻都在發(fā)生的事情。
想在地球上復(fù)刻“太陽”的神跡——這就是以EAST為代表的一系列托卡馬克裝置存在的意義——用實(shí)驗(yàn)探索可控核聚變。
要知道，核聚變的原料氘能夠從海水中提取出來，一升海水中提取的原料進(jìn)行核聚變相當(dāng)于燃燒300升汽油。地球上的海水至少可以供人類使用上億年。
那么，人類距離民用核聚變還有多遠(yuǎn)呢？
“EAST項(xiàng)目是要建造一個具有非圓截面的大型超導(dǎo)托卡馬克裝置及其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?！蓖躜v說，“它的主要目的是研究先進(jìn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式下的相關(guān)物理問題，它雖然被叫作'小太陽’，但還不能為我們提供能量?！?/p>
比“實(shí)驗(yàn)裝置”更進(jìn)一步的是“實(shí)驗(yàn)堆”建設(shè)。實(shí)驗(yàn)堆可以實(shí)現(xiàn)“燃燒”等離子體實(shí)驗(yàn)。國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一，中國是七個合作方之一，等離子體物理研究所則承擔(dān)了該計(jì)劃中中國采購包的絕大部分研發(fā)任務(wù)。
在那之后，則是“工程堆”建設(shè)。在該領(lǐng)域，中國正在謀劃建造真正的“人造太陽”——中國聚變工程堆（CFETR）。
盡管CFETR還未正式立項(xiàng)，但是針對CFETR的預(yù)研工作進(jìn)展順利。2018年1月3日，國家發(fā)改委宣布聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施（CRAFT）在合肥集中建設(shè)，它將為開展聚變堆核心部件研發(fā)和建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ)，這也是合肥綜合性國家科學(xué)中心首個落地的國家大科學(xué)裝置項(xiàng)目。
安徽商報(bào)記者獲悉，截至今年2月，聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施項(xiàng)目總體工程量已完成60%。
“只有完成實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)堆、工程堆這一系列工作，才有可能建設(shè)聚變'商業(yè)示范堆’，最終完成人類終極能源開發(fā)。”王騰說。
那也意味著，漫威宇宙里鋼鐵俠胸前的能量源、《流浪地球》里的推動地球前進(jìn)的核聚變發(fā)動機(jī)都有可能成為現(xiàn)實(shí)。但在那之前，仍有很長的路。中科院合肥研究院等離子所核聚變大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)都有著一個信念：被核聚變能點(diǎn)亮的第一只燈泡一定要在中國。
