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(dāng)?shù)厝讼矏鄣男蓍e勝地，也是世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)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(chǔ)量極其豐富等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為能最終解決人類能源問題。

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(xù)、穩(wěn)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”。

之所以獲此美名，并不是因?yàn)樗c太陽的外觀有多相似，而是因?yàn)榭茖W(xué)家嘗試用它模擬太陽的熱核聚變過程，并由此為人類提供能源。

從建成至今，15年來，科學(xué)家推動(dòng)?xùn)|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(guó)人自己的托卡馬克

一般物質(zhì)達(dá)到10萬攝氏度時(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(jì)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(xù)加熱。

這個(gè)辦法被視為探索、解決未來穩(wěn)態(tài)聚變反應(yīng)堆工程及物理問題的最有效途徑。

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

1990年2月，蘇聯(lián)庫爾恰托夫所副所長(zhǎng)卡多姆采夫院士給中科院等離子體所時(shí)任所長(zhǎng)霍裕平院士發(fā)來一封信，提出愿意將已停機(jī)的T-7托卡馬克裝置贈(zèng)送給中科院等離子體所，以便更好地開展合作研究。

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

他迅速組織了全所科技骨干深入了解T-7，反復(fù)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(nèi)對(duì)其改造，為中國(guó)的核聚變做一番拼搏。

1991年3月，T-7設(shè)備運(yùn)抵國(guó)內(nèi)，相關(guān)改造和建設(shè)工作也在中科院等離子體所全面鋪開。

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

在此基礎(chǔ)上，中科院等離子體所的科學(xué)家又提出了對(duì)HT-7進(jìn)行升級(jí)改造的新計(jì)劃——“HT-7U全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置建設(shè)”計(jì)劃，以便在近堆芯的高參數(shù)條件下研究等離子體的穩(wěn)態(tài)和先進(jìn)運(yùn)行，深入探索實(shí)現(xiàn)核聚變能源的工程、物理問題。

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

2006年，由國(guó)家發(fā)展改革委立項(xiàng)支持的東方超環(huán)正式建成。這個(gè)主機(jī)部分高11米、直徑8米、重400噸的大家伙，成為我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的國(guó)際首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。

第98958次實(shí)驗(yàn)

“98、99、100！”2021年5月28日凌晨3時(shí)02分，當(dāng)大屏幕上的數(shù)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(yàn)。一個(gè)新的世界紀(jì)錄由此誕生——東方超環(huán)成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行，將1億攝氏度20秒的原紀(jì)錄延長(zhǎng)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(chǔ)。

回望過去的15年，東方超環(huán)一次次挑戰(zhàn)極限：

2012年，東方超環(huán)打破世界紀(jì)錄，獲得超過400秒的2000萬攝氏度高參數(shù)偏濾器等離子體，并獲得穩(wěn)定重復(fù)超過30秒的高約束等離子體放電；

2016年，東方超環(huán)獲得超過60秒的完全非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)（穩(wěn)態(tài)）高約束模等離子體，成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到分鐘量級(jí)的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置；

2017年，東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄；

2018年，東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲(chǔ)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(dá)到1億攝氏度；

2021年，東方超環(huán)又一次創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄。

從這份成績(jī)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?yàn)?015年東方超環(huán)完成了第一次全面升級(jí)，裝置能力得到了大幅提升?！敝袊?guó)科學(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(zhǎng)徐國(guó)盛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

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

“從2006年東方超環(huán)建成到2016年，10年時(shí)間，我們的科研人員不畏艱難、堅(jiān)持創(chuàng)新，探索出托卡馬克穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的有效方案，科研隊(duì)伍在人員數(shù)目和研究水平上有了顯著提升?！毙靽?guó)盛說。

合作，革新，再?zèng)_刺

在東方超環(huán)建成的2006年，中國(guó)核聚變領(lǐng)域還經(jīng)歷了另一件大事——正式簽約加入國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃。

這是全球最大的實(shí)驗(yàn)性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆裝置，集成了當(dāng)今國(guó)際上受控磁約束核聚變的主要科學(xué)和技術(shù)成果，是人類受控核聚變研究走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步。

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

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

“東方超環(huán)的下一個(gè)目標(biāo)之一，就是演示ITER設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間尺度高約束模式等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的可行性。”徐國(guó)盛說。

作為中國(guó)為人類命運(yùn)共同體作貢獻(xiàn)的重要平臺(tái)，ITER項(xiàng)目也成為我國(guó)發(fā)展自身聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的有力支撐。

“近年來東方超環(huán)取得的系列原創(chuàng)性重大成果，以及深度參與ITER計(jì)劃取得的成果和經(jīng)驗(yàn)，都為未來中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的建設(shè)和運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)和工程基礎(chǔ)?！毙靽?guó)盛說。

接下來，在以往成果和國(guó)際合作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，東方超環(huán)還將探索在更長(zhǎng)時(shí)間尺度下的高溫等離子體運(yùn)行——數(shù)百秒時(shí)間尺度維持等離子體芯部電子溫度超過1億攝氏度的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

“東方超環(huán)是一個(gè)自身不斷進(jìn)步的系統(tǒng)，需要通過升級(jí)改造來不斷提升系統(tǒng)能力，挑戰(zhàn)工程參數(shù)，突破其運(yùn)行極限，逼近核聚變所需要的等離子體條件?！毙靽?guó)盛說。

除了推著東方超環(huán)一步步挑戰(zhàn)極限外，科學(xué)家們還有更宏偉的目標(biāo)?！爸袊?guó)磁約束核聚變研究的最終目標(biāo)就是要率先在中國(guó)實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電?！毙靽?guó)盛說。

對(duì)于中國(guó)核聚變研究的科學(xué)家來說，最值得期待的就是我國(guó)盡早開始建設(shè)和運(yùn)行聚變工程實(shí)驗(yàn)堆。

徐國(guó)盛介紹，近些年，在科技部的支持下，我國(guó)科學(xué)家已完成了未來中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的概念設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了一些關(guān)鍵部件的預(yù)研。

正在建設(shè)的“聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施”（CRAFT）也將成為國(guó)際磁約束聚變領(lǐng)域參數(shù)最高、功能最完備的綜合性研究平臺(tái)，可為我國(guó)開展聚變堆核心部件研發(fā)和建設(shè)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

“從東方超環(huán)到中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，我們所做的每一件事都是人類沒有做過的。我相信，假以時(shí)日，科研人員一定能逐步解決未來聚變堆核心科學(xué)和技術(shù)問題，讓取之不盡、用之不竭的清潔聚變能造福人類?！毙靽?guó)盛自豪地說。

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

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛