（原標題：羽絨服,、牛仔褲換來了中國第一個“人造太陽”）

科技日報

有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克大科學裝置EAST本文圖均為科技日報微信公眾號圖（除署名外）

價值400萬元人民幣的羽絨服,、牛仔褲能派上什么用場,？20多年前,，它們換來了的中國的第一個“人造太陽”,。

人類渴望在地球上模擬太陽內(nèi)部的核聚變,，期望能夠把其驚人的能量穩(wěn)定地輸送給電站。托卡馬克是人們實現(xiàn)“完美能源”的希望,，也被稱為“人造太陽”,。

上世紀50年代開始，世界各國都在研制托卡馬克,。90年代初,，蘇聯(lián)已經(jīng)著手開發(fā)第二代托卡馬克，有意把第一代裝置送給其他國家,，這對于“零起步”的中國而言機會難得,。時任中科院等離子體物理研究所所長的霍裕平院士提議,，用牛仔褲,、羽絨服和他們換！

于是,，“我們用400萬人民幣的羽絨服,、牛仔褲、瓷器等生活物資換來一個當時價值1800萬盧布的裝置,?！敝袊こ淘涸菏坷罱▌傉f。

經(jīng)過三年半時間的拆解,、改造,，中國科學家在這個新裝置上實現(xiàn)了優(yōu)于其他國家的實驗成績。但要實現(xiàn)核聚變,，必須建造新一代全超導托卡馬克核聚變實驗裝置,。

2006年9月，中國自主設計建造的世界首個全超導非圓截面核聚變裝置EAST建成,，與國際同類實驗裝置相比,，它在當時獲得四項世界“第一”，即使用資金最少、建設速度最快,、投入運行最早,、運行后獲得等離子放電最快。

由美,、法等國在20世紀80年代中期發(fā)起的,、旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆的ITER計劃也正是在這時才將中國吸納為七方合作成員之一。

從“逐日”到“并跑”

海水中大量蘊藏的同位素氘和氚在聚變成一個氦原子的過程中,，能夠釋放出的巨大能量,，和太陽產(chǎn)生光和熱的過程相似。如果人類掌握了核聚變能源,，將擁有可使用上十億年的清潔能源,。

因此，受控熱核聚變實驗裝置被人們稱之為“人造太陽”,，是地球?qū)ふ夷茉闯雎返南Ｍ?。被寄予最大希望的核聚變實驗方案叫“托卡馬克”——用超強的磁場約束高溫的核燃料。

聚變堆工作原理李建剛圖

“人造太陽”這場追夢旅程是從上世紀50年代開始,，那個時候全世界都在做托卡馬克?！爸袊鴵碛械牡谝粋€半超導核聚變裝置是上世紀九十年代,，從國外引進后加以改造發(fā)展的?！敝袊こ淘涸菏坷罱▌偦貞?。

科學家們花了一年半的時間把它全部拆掉，又花了兩年的時間把它裝起來,，在這上面做了大量的實驗,。中科院等離子所副所長宋云濤說：“其他國家都做到幾秒鐘，我們在這個裝置上面做到了1000萬攝氏度持續(xù)60秒放電,?！钡獙崿F(xiàn)核聚變，我們必須造一個全超導托卡馬克,。

這是利用磁場對等離子進行約束的托卡馬克裝置

“中國要有自主建造的核聚變實驗裝置！”1998年等離子體所成立團隊,，目標是建設世界首個全超導非圓截面核聚變裝置EAST,，它的中文名字“東方超環(huán)”寄予著中國科學界的巨大期望。

等離子體所成立12個研究室,，兩個技術(shù)支撐中心,，攻克一個個難關(guān),。絕緣子是核心部件，這種只有圓珠筆大小的部件需要幾百個,，國外報價一個上千美元,。科學家們咬咬牙：“太貴了,，不信這個東西我們自己做不成,！”。

于是,，潘皖江博士帶領(lǐng)一個小組,，歷時3年，終于將絕緣子研制成功,。然而導體研制,、水冷系統(tǒng)、精密加工……一個個難關(guān),，一次次失敗卻接踵而至,。有的科學家在國外求解技術(shù)難點時，為了節(jié)約經(jīng)費,，寧愿每天在冰天雪地里走40多分鐘,。年近古稀的老科學家高溫中暈倒在實驗室，醒來第一句話就是問工作怎樣了……

這是有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克大科學裝置EAST（8月16日攝）,。新華社資料圖

2006年9月，中國自主設計建造的EAST建成,，并完成了首次成功放電,，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電,。與國際同類實驗裝置相比,，它在當時獲得四項世界“第一”，即使用資金最少,、建設速度最快、投入運行最早,、運行后獲得等離子放電最快,。

由美、法等國在20世紀80年代中期發(fā)起的,、旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆的ITER計劃也正是在這時才將中國吸納為七方合作成員之一,。

投入100億，加入ITER計劃

2003年中國正式以“平等伙伴”身份加入了ITER計劃談判,。

2006年11月,，時任科技部部長徐冠華在法國愛麗舍宮簽署ITER計劃《聯(lián)合實施協(xié)定》和《特權(quán)與豁免協(xié)定》。2007年8月，全國人大正式審議通過該協(xié)定文件,。2007年10月ITER國際聚變能組織正式成立,。2008年10月，科技部核聚變中心掛牌成立,。

ITER反應堆運作圖

這一路走來，背后的艱辛磨難是難以想象的,，也伴隨著諸多的爭議,。

核聚變中心研究員潘傳紅說，當時的美,、俄,、日、歐四方,，在十幾年時間內(nèi),，投入15億美元進行設計。中國加入ITER計劃,，實際上包含了對設計技術(shù)的解讀與消化,，以便用于我們國家未來的聚變能源的發(fā)展規(guī)劃。

然而當時中國科研經(jīng)費有限,，是否以“平等伙伴”身份加入有爭議,。

“加入的門檻是10%，10%差不多100億人民幣,，當時國家的整體實力也并不強,，科研的投入也不像現(xiàn)在，在當時科研投入總的經(jīng)費也不多,，所以有很多反對的聲音,，認為我們國家出這么多錢加入這么一個項目是不是值?！笨萍疾恐袊鴩H核聚變能源計劃執(zhí)行中心主任羅德隆說,。

在參加ITER計劃談判期間,，科技部,、外交部、財政部,、教育部,、中科院、國家自然科學基金委,、中核集團公司等部委和單位歷經(jīng)了多次論證,，最終我國正式以平等伙伴身份加入了ITER計劃談判,，中國人終于成為這一重要國際舞臺的平等一方。

自2008年以來,，我國陸續(xù)承擔了18個采購包的制造任務,，涵蓋了ITER裝置幾乎所有關(guān)鍵部件，由上百家科研院所,、企業(yè)承擔,。在ITER采購包研發(fā)制造過程中，取得了重大突破,，解決了一系列聚變工程關(guān)鍵技術(shù),。

截至目前，我國交付ITER計劃的采購包部件實現(xiàn)了100％國產(chǎn)化,，而且全部一次性100％合格,，并按期交付。ITER組織兩任總干事對中方的評價是“中國在采購包的研發(fā),、生產(chǎn)方面領(lǐng)先于各方”,。

中國核聚變技術(shù)領(lǐng)跑世界

經(jīng)過多年不懈努力，我國先后建成并升級改造了中國環(huán)流器二號A和東方超環(huán)EAST,，用于在近堆芯的高參數(shù)條件下研究等離子體的穩(wěn)態(tài)和先進運行,，深入探索實現(xiàn)聚變能源的工程、物理問題,。

中國環(huán)流器二號A是我國第一個帶偏濾器的大型托卡馬克聚變研究裝置,。自裝置建成以來，在國內(nèi)實現(xiàn)了三步跨越：第一步,，磁位形由限制器位形到偏濾器位形的跨越,；第二步，等離子體電子溫度達5500萬度,，是迄今國內(nèi)裝置達到的最高溫度,；第三步，等離子體約束模式由低約束模式到高約束模式的跨越,。

尤其是2009年4月18日,，中國環(huán)流器二號A在國內(nèi)首次實現(xiàn)了高約束模式運行，使得我國成為繼美,、日,、歐之后第四個實現(xiàn)高約束模式運行的國家。

中法科學家見證EAST遙操作維護系統(tǒng)調(diào)試成功。資料圖

EAST是世界上第一個“全超導非圓截面托卡馬克裝置”,。近年來,，EAST一直走在國際競爭最前列,，在高性能、穩(wěn)態(tài),、長脈沖等離子體研究方面成績傲人,。

2017年7月3日晚，EAST裝置在世界上首次實現(xiàn)了5000萬度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運行,，實現(xiàn)了從30秒到60秒,，再到百秒量級的跨越。再次創(chuàng)造了核聚變新的世界紀錄,。

這是2018年度EAST物理實驗后，科研人員在進行EAST裝置內(nèi)部檢查（8月29日攝）,。新華社資料圖

2018年11月12日,，中科院等離子體物理研究所發(fā)布消息：EAST近期實現(xiàn)了等離子體中心電子溫度達到1億攝氏度等多項重大突破，獲得的實驗參數(shù)接近未來聚變堆穩(wěn)態(tài)運行模式所需要的物理條件,，朝著未來聚變堆實驗運行邁出了關(guān)鍵一步,。

這些里程碑性的重要突破，表明我國磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運行的物理和工程方面繼續(xù)走在國際前沿,，對國際熱核聚變試驗堆（ITER）和未來中國聚變工程試驗堆（CFETR）建設和運行具有重大的科學意義,。

事實上，與ITER相比,，EAST只有其1/4大小,，但EAST的成功經(jīng)驗已經(jīng)支撐了ITER的建設。如研制出可通過90千安電流的高溫超導電流引線,，使ITER制冷電耗每年減少2/3以上,；證明ITER磁體電源設計方案存在的風險，并設計出新方案,。宋云濤這樣展望未來：“EAST必將對ITER及下一代聚變裝置做出更多世界級的,、獨一無二的貢獻?！?/p>

中國工程聚變堆設計圖

CFETR于2011年啟動設計研究。根據(jù)中國科學家的設想,，CFETR共分兩期完成,。一期采取類ITER技術(shù)，目標是穩(wěn)定運行,；二期則以自主創(chuàng)新為主,，目標是示范核聚變發(fā)電。CFETR的任務是在ITER和未來的核聚變電站之間建起橋梁,。CFETR被期望在后期階段實現(xiàn)“Q大于25”的目標,，即每消耗1份能量,，釋放出25份能量；而ITER的目標是Q大于10,。

CFETR概念圖

當然，CFETR的設計制造也要借助世界各國的專家人才,。世界聚變研究發(fā)達國家美國,、德國、法國,、意大利等已經(jīng)全面參與CFETR的設計,；俄羅斯同行也表示將深入?yún)⑴cCFETR計劃。目前,，CFETR裝置已完成設計研究并開始了工程化設計,，有望在未來幾年啟動。

在開發(fā)核聚變能的路上,，中國已從“追趕者”“并跑者”,，成長為具備強大國際輸出能力的“領(lǐng)跑者”。