15年、98958次實(shí)驗！這個(gè)大科學(xué)裝置，專(zhuān)做人類(lèi)沒(méi)做過(guò)的事

在安徽合肥西郊風(fēng)景秀麗的董鋪水庫上，有一座名為“科學(xué)島”的小島。這里是備受當地人喜愛(ài)的休閑勝地，也是世界首個(gè)全超導托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置——東方超環(huán)（EAST）的所在地。

核聚變具有清潔、環(huán)保、安全、原材料儲量極其豐富等優(yōu)點(diǎn)，被認為能最終解決人類(lèi)能源問(wèn)題。

但核聚變的發(fā)生需要上億攝氏度的高溫，如何把物質(zhì)持續、穩定、可控地加熱到上億攝氏度成為難題。

攻克這一難題，就是東方超環(huán)的使命。東方超環(huán)建成于2006年，被譽(yù)為“人造太陽(yáng)”。

之所以獲此美名，并不是因為它與太陽(yáng)的外觀(guān)有多相似，而是因為科學(xué)家嘗試用它模擬太陽(yáng)的熱核聚變過(guò)程，并由此為人類(lèi)提供能源。

從建成至今，15年來(lái)，科學(xué)家推動(dòng)東方超環(huán)一次又一次沖破極限，逼近核聚變所需要的條件。

建中國人自己的托卡馬克

一般物質(zhì)達到10萬(wàn)攝氏度時(shí)，原子中的電子就會(huì )脫離原子核的束縛，形成等離子體。

如何為這些等離子體加熱，一度成為核聚變研究中的難題。

20世紀50年代初，蘇聯(lián)科學(xué)家建成了第一個(gè)托卡馬克裝置。

該裝置是一個(gè)由封閉磁場(chǎng)組成的“容器”，可以把炙熱的等離子體托舉到半空中持續加熱。

這個(gè)辦法被視為探索、解決未來(lái)穩態(tài)聚變反應堆工程及物理問(wèn)題的最有效途徑。

早在上世紀70年代，位于合肥的中國科學(xué)院等離子體物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中科院等離子體所）就開(kāi)始了核聚變相關(guān)研究；90年代，開(kāi)始了超導托卡馬克的研究。

1990年2月，蘇聯(lián)庫爾恰托夫所副所長(cháng)卡多姆采夫院士給中科院等離子體所時(shí)任所長(cháng)霍裕平院士發(fā)來(lái)一封信，提出愿意將已停機的T-7托卡馬克裝置贈送給中科院等離子體所，以便更好地開(kāi)展合作研究。

作為等離子體物理學(xué)家，霍裕平心里非常清楚T-7對中國意味著(zhù)什么。

他迅速組織了全所科技骨干深入了解T-7，反復論證改造T-7的可行性。

最終，他們決定接受T-7，并不惜一切代價(jià)在3年內對其改造，為中國的核聚變做一番拼搏。

1991年3月，T-7設備運抵國內，相關(guān)改造和建設工作也在中科院等離子體所全面鋪開(kāi)。

1994年12月，由T-7改造成的超導托卡馬克裝置HT-7首次獲得等離子體，成為中國第一個(gè)超導托卡馬克。

在此基礎上，中科院等離子體所的科學(xué)家又提出了對HT-7進(jìn)行升級改造的新計劃——“HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設”計劃，以便在近堆芯的高參數條件下研究等離子體的穩態(tài)和先進(jìn)運行，深入探索實(shí)現核聚變能源的工程、物理問(wèn)題。

為使國內外專(zhuān)家易于發(fā)音、便于記憶同時(shí)又有確切的科學(xué)含義，項目于2003年10月更名為EAST，中文名為“東方超環(huán)”。

2006年，由國家發(fā)展改革委立項支持的東方超環(huán)正式建成。這個(gè)主機部分高11米、直徑8米、重400噸的大家伙，成為我國自行設計研制的國際首個(gè)全超導托卡馬克裝置。

第98958次實(shí)驗

“98、99、100！”2021年5月28日凌晨3時(shí)02分，當大屏幕上的數字突破100秒時(shí)，所有人起立歡呼。

這是東方超環(huán)的第98958次實(shí)驗。一個(gè)新的世界紀錄由此誕生——東方超環(huán)成功實(shí)現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，將1億攝氏度20秒的原紀錄延長(cháng)了5倍，進(jìn)一步證明核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定了物理和工程基礎。

回望過(guò)去的15年，東方超環(huán)一次次挑戰極限：

2012年，東方超環(huán)打破世界紀錄，獲得超過(guò)400秒的2000萬(wàn)攝氏度高參數偏濾器等離子體，并獲得穩定重復超過(guò)30秒的高約束等離子體放電；

2016年，東方超環(huán)獲得超過(guò)60秒的完全非感應電流驅動(dòng)（穩態(tài)）高約束模等離子體，成為世界首個(gè)實(shí)現穩態(tài)高約束模運行持續時(shí)間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實(shí)驗裝置；

2017年，東方超環(huán)實(shí)現了穩定的101.2秒穩態(tài)長(cháng)脈沖高約束等離子體運行，創(chuàng )造了新的世界紀錄；

2018年，東方超環(huán)實(shí)現加熱功率超過(guò)10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，在電子回旋與低雜波協(xié)同加熱下，等離子體中心電子溫度達到1億攝氏度；

2021年，東方超環(huán)又一次創(chuàng )造新的世界紀錄。

從這份成績(jì)單可以看到，近5年，東方超環(huán)進(jìn)入了“豐產(chǎn)期”?！斑@主要是因為2015年?yáng)|方超環(huán)完成了第一次全面升級，裝置能力得到了大幅提升?！敝袊茖W(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所副所長(cháng)徐國盛告訴《中國科學(xué)報》。

人才隊伍的壯大，是東方超環(huán)近5年持續出現重大突破的另一個(gè)原因。

“從2006年?yáng)|方超環(huán)建成到2016年，10年時(shí)間，我們的科研人員不畏艱難、堅持創(chuàng )新，探索出托卡馬克穩態(tài)運行的有效方案，科研隊伍在人員數目和研究水平上有了顯著(zhù)提升?！毙靽⒄f(shuō)。

合作，革新，再沖刺

在東方超環(huán)建成的2006年，中國核聚變領(lǐng)域還經(jīng)歷了另一件大事——正式簽約加入國際熱核聚變實(shí)驗堆（ITER）計劃。

這是全球最大的實(shí)驗性托卡馬克核聚變反應堆裝置，集成了當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學(xué)和技術(shù)成果，是人類(lèi)受控核聚變研究走向實(shí)用的關(guān)鍵一步。

這也是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，中國、歐盟、俄羅斯、美國、日本、韓國和印度七方30多個(gè)國家參與其中。

與ITER外形相似但比ITER更早投入運行的東方超環(huán)，無(wú)論是在工程建設上還是在物理研究上，都為ITER項目提供了可借鑒的經(jīng)驗。

“東方超環(huán)的下一個(gè)目標之一，就是演示ITER設計運行時(shí)間尺度高約束模式等離子體穩態(tài)運行的可行性?！毙靽⒄f(shuō)。

作為中國為人類(lèi)命運共同體作貢獻的重要平臺，ITER項目也成為我國發(fā)展自身聚變工程實(shí)驗堆的有力支撐。

“近年來(lái)東方超環(huán)取得的系列原創(chuàng )性重大成果，以及深度參與ITER計劃取得的成果和經(jīng)驗，都為未來(lái)中國聚變工程實(shí)驗堆的建設和運行奠定了堅實(shí)的科學(xué)和工程基礎?！毙靽⒄f(shuō)。

接下來(lái)，在以往成果和國際合作經(jīng)驗的基礎上，東方超環(huán)還將探索在更長(cháng)時(shí)間尺度下的高溫等離子體運行——數百秒時(shí)間尺度維持等離子體芯部電子溫度超過(guò)1億攝氏度的穩態(tài)運行。

“東方超環(huán)是一個(gè)自身不斷進(jìn)步的系統，需要通過(guò)升級改造來(lái)不斷提升系統能力，挑戰工程參數，突破其運行極限，逼近核聚變所需要的等離子體條件?！毙靽⒄f(shuō)。

除了推著(zhù)東方超環(huán)一步步挑戰極限外，科學(xué)家們還有更宏偉的目標?！爸袊偶s束核聚變研究的最終目標就是要率先在中國實(shí)現核聚變發(fā)電?！毙靽⒄f(shuō)。

對于中國核聚變研究的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，最值得期待的就是我國盡早開(kāi)始建設和運行聚變工程實(shí)驗堆。

徐國盛介紹，近些年，在科技部的支持下，我國科學(xué)家已完成了未來(lái)中國聚變工程實(shí)驗堆的概念設計、物理設計和工程設計，并進(jìn)行了一些關(guān)鍵部件的預研。

正在建設的“聚變堆主機關(guān)鍵系統綜合研究設施”（CRAFT）也將成為國際磁約束聚變領(lǐng)域參數最高、功能最完備的綜合性研究平臺，可為我國開(kāi)展聚變堆核心部件研發(fā)和建設提供技術(shù)基礎。

“從東方超環(huán)到中國聚變工程實(shí)驗堆，我們所做的每一件事都是人類(lèi)沒(méi)有做過(guò)的。我相信，假以時(shí)日，科研人員一定能逐步解決未來(lái)聚變堆核心科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，讓取之不盡、用之不竭的清潔聚變能造福人類(lèi)?！毙靽⒆院赖卣f(shuō)。

《中國科學(xué)報》 (2021-11-26 第1版 要聞 原標題為《東方超環(huán)的極限挑戰》)

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛