从去年7月开始，素有“人造小太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）开始迎来中期改造，这也是自2006年该实验装置建成放电后的最大规模的改造。3月26日，记者在EAST改造现场获悉，实验装置预计将于4月内完成升级启动新一轮物理实验，并将冲击更高的科学目标。   误差是毫米级，一个螺栓都不能错 EAST控制大厅中央的电子屏上一直播放着数字96914，这是从2006年至今的实验放电次数。每一次实验，内部人员称之为“一炮”。但这个数字从去年6月20日之后，没有再增加了。 自2020年7月开始，有“人造小太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）开启了新一轮升级改造，整个改造预计将于今年4月完成。 EAST升级改造项目内部施工负责人胡凯说，近百人的科研工程团队每天超过12个小时“争分夺秒”工作，从春节前到现在一直没有休息。 记者在改造现场看到：巨大的行车在这个约三层楼高的装置上方来回穿梭，正将钨铜铸造的第一壁“瓦片”吊入EAST内部环形真空室中。一位工程人员告诉记者：为了追求更小误差，整个实验装置更换的“瓦片”，包括螺栓在内，有数千件，都是编好号码后一一对应的更换。“误差是毫米级的，每一个螺栓都有它固定的位置，一点也不能错。” 参与此次升级改造的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表示，改造一直按计划进行，目前已经进入尾声。 “目前整个实验装置已经进入降温阶段，整个超导磁体的温度已经降至零下80摄氏度左右，当整个磁体温度降至零下269摄氏度的时候，实验装置将进行工程调试，在那之后，改造后的实验装置将在今年夏天启动改造后的第一次放电实验。”王腾说。 “中年”EAST将冲击更高目标 始于去年7月的改造也是“EAST”自2006年建成放电后最大规模的升级改造，甚至也是EAST在整个生命周期中最重要的一次“升级”。 “聚变实验装置国际通用运行寿命都在20至30年，”王腾博士告诉记者：“EAST项目于1998年立项，2000年开工建设，2006年9月26日建成放电，到今年刚好十五年。对于一个实验装置而言，正是'人到中年’。” 经过多年打磨，“中年”EAST的运行愈加沉稳。但要想冲击更高的科学目标，对于实验装置的升级改造也势在必行。 中科院等离子体物理研究所研制中心主任吴杰峰说，“'人造太阳’非常复杂，要让上亿摄氏度高温与零下269摄氏度低温1米内共存，上万个零部件，有一点点瑕疵，未来实验可能就会失败。” 因此，EAST本次升级改造有两件大事，都和温度有关。 第一件事是要更新核心部件“第一壁”的材料，将下偏滤器由石墨材料换成钨铜材料。 为什么要换材料？王腾给记者讲述了改造的基本逻辑。“这就好比人要喝热水，喝60摄氏度以下没问题，但要喝更高温度的水，抿一小口也没问题，但是持续喝人就会受不了。同样，EAST实验装置放电时，等离子体的温度可以达到1亿摄氏度，但想要长时间运行如此高温等离子体，如果'第一壁’材料耐热性能不达标，就会出问题。” 王腾告诉记者：EAST装置“第一壁”最初的热负荷功率大约是每平方米1兆瓦，现在的热负荷功率则提高到了每平方米20兆瓦，“改造前后性能提升20倍。” 第二件事则是要调整辅助加热系统。众所周知，EAST是一个圆柱形装置，分布了十六个窗口，这些窗口分别连接了不同的辅助加热系统，其中包含多套“射频波加热”系统和“中性束注入”系统来给等离子体加热升温，对比改造前后EAST装置，辅助加热系统的窗口进行了重新调整，以追求更优的空间布局和更高的加热效率。 什么是“射频波加热”系统呢？“它的工作原理类似于生活中的家用微波炉，只不过加热的不是食品而是等离子体。”王腾说，“它的功率更是家用微波炉的数万倍，可以说是中国最大的'微波炉’了，可以将等离子体加热到上亿度高温。” 411秒的世界纪录始终未被打破 在完成改造后，从今年起，EAST将冲击更高参数等离子体放电。 合肥物质科学研究院等离子体物理研究所曾将“EAST”的科学目标归纳为“三个一”：1兆安、1亿摄氏度和1000秒。 其中，“1兆安”是指EAST内等离子体的电流强度；“1亿摄氏度”则是指等离子体芯部温度；“1000秒”是指长脉冲等离子体持续放电时间。 在实际实验中，若以“单科成绩”算，“1兆安”和“1亿摄氏度”的目标已经完成了，只剩下“1000秒”。 2012年，EAST成功获得超过411秒的两千万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。两项实验结果均创下世界纪录。 “从2012年到现在，411秒的世界纪录始终未被打破。”王腾说，“可见，想要延长这个时间有多难。” 时间意味着什么呢？EAST被称为“小太阳”，真实的太阳已经燃烧了45.7亿年，其内部的核聚变还将持续50亿至60亿年。同样，“小太阳”稳定放电时间越长，意味着人类对于核聚变的控制技术越高超，也为未来稳态、安全、高效的先进商业聚变堆提供物理和工程技术基础。 实际上，EAST对“时间”的追求并不是单维度的，而是结合“温度”和“电流强度”的一个综合指标。 2012年的411秒是在2000万摄氏度的条件下实现的，此后，EAST又相继实现了“10秒、1亿摄氏度”和“20秒、1亿摄氏度”，未来，长脉冲高温等离子体将成为EAST的主攻方向之一。 距离点亮第一只灯泡还有多远？ 想象一下，一个氚的原子核和一个氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地碰撞，结合成1个氦原子核，并释放出17.6兆电子伏特能量。这就是太阳内部每时每刻都在发生的事情。 想在地球上复刻“太阳”的神迹——这就是以EAST为代表的一系列托卡马克装置存在的意义——用实验探索可控核聚变。 要知道，核聚变的原料氘能够从海水中提取出来，一升海水中提取的原料进行核聚变相当于燃烧300升汽油。地球上的海水至少可以供人类使用上亿年。 那么，人类距离民用核聚变还有多远呢？ “EAST项目是要建造一个具有非圆截面的大型超导托卡马克装置及其实验系统。”王腾说，“它的主要目的是研究先进稳态运行模式下的相关物理问题，它虽然被叫作'小太阳’，但还不能为我们提供能量。” 比“实验装置”更进一步的是“实验堆”建设。实验堆可以实现“燃烧”等离子体实验。国际热核聚变实验堆（ITER）计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，中国是七个合作方之一，等离子体物理研究所则承担了该计划中中国采购包的绝大部分研发任务。 在那之后，则是“工程堆”建设。在该领域，中国正在谋划建造真正的“人造太阳”——中国聚变工程堆（CFETR）。 尽管CFETR还未正式立项，但是针对CFETR的预研工作进展顺利。2018年1月3日，国家发改委宣布聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）在合肥集中建设，它将为开展聚变堆核心部件研发和建设提供技术基础，这也是合肥综合性国家科学中心首个落地的国家大科学装置项目。 安徽商报记者获悉，截至今年2月，聚变堆主机关键系统综合研究设施项目总体工程量已完成60%。 “只有完成实验装置、实验堆、工程堆这一系列工作，才有可能建设聚变'商业示范堆’，最终完成人类终极能源开发。”王腾说。 那也意味着，漫威宇宙里钢铁侠胸前的能量源、《流浪地球》里的推动地球前进的核聚变发动机都有可能成为现实。但在那之前，仍有很长的路。中科院合肥研究院等离子所核聚变大科学工程团队都有着一个信念：被核聚变能点亮的第一只灯泡一定要在中国。 |
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