羽絨服、牛仔褲從蘇聯換來了中國第一個"人造太陽"
（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、牛仔褲能派上什麼用場？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部的核聚變，期望能夠把其驚人的能量穩定地輸送給電站。托卡馬克是人們實現「完美能源」的希望，也被稱為「人造太陽」。
上世紀50年代開始，世界各國都在研製托卡馬克。90年代初，蘇聯已經著手開發第二代托卡馬克，有意把第一代裝置送給其他國家，這對於「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！
於是，「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。」中國工程院院士李建剛說。
經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了優於其他國家的實驗成績。但要實現核聚變，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、運行後獲得等離子放電最快。
由美、法等國在20世紀80年代中期發起的、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「並跑」
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」，是地球尋找能源出路的希望。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。「中國擁有的第一個半超導核聚變裝置是上世紀九十年代，從國外引進後加以改造發展的。」中國工程院院士李建剛回憶。
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雲濤說：「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60秒放電。」但要實現核聚變，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」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，兩個技術支撐中心，攻克一個個難關。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！」。
於是，潘皖江博士帶領一個小組，歷時3年，終於將絕緣子研製成功。然而導體研製、水冷系統、精密加工……一個個難關，一次次失敗卻接踵而至。有的科學家在國外求解技術難點時，為了節約經費，寧願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，並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、運行後獲得等離子放電最快。
由美、法等國在20世紀80年代中期發起的、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「平等夥伴」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《聯合實施協定》和《特權與豁免協定》。2007年8月，全國人大正式審議通過該協定文件。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，背後的艱辛磨難是難以想像的，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，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的解讀與消化，以便用於我們國家未來的聚變能源的發展規劃。
然而當時中國科研經費有限，是否以「平等夥伴」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並不強，科研的投入也不像現在，在當時科研投入總的經費也不多，所以有很多反對的聲音，認為我們國家出這麼多錢加入這麼一個項目是不是值。」科技部中國國際核聚變能源計劃執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了多次論證，最終我國正式以平等夥伴身份加入了ITER計劃談判，中國人終於成為這一重要國際舞台的平等一方。
自2008年以來，我國陸續承擔了18個採購包的製造任務，涵蓋了ITER裝置幾乎所有關鍵部件，由上百家科研院所、企業承擔。在ITER採購包研發製造過程中，取得了重大突破，解決了一系列聚變工程關鍵技術。
截至目前，我國交付ITER計劃的採購包部件實現了100％國產化，而且全部一次性100％合格，並按期交付。ITER組織兩任總幹事對中方的評價是「中國在採購包的研發、生產方面領先於各方」。
中國核聚變技術領跑世界
經過多年不懈努力，我國先後建成並升級改造了中國環流器二號A和東方超環EAST，用於在近堆芯的高參數條件下研究等離子體的穩態和先進運行，深入探索實現聚變能源的工程、物理問題。
中國環流器二號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，在國內實現了三步跨越：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，中國環流器二號A在國內首次實現了高約束模式運行，使得我國成為繼美、日、歐之後第四個實現高約束模式運行的國家。
中法科學家見證EAST遙操作維護系統調試成功。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、穩態、長脈衝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了5000萬度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行，實現了從30秒到60秒，再到百秒量級的跨越。再次創造了核聚變新的世界紀錄。
這是2018年度EAST物理實驗後，科研人員在進行EAST裝置內部檢查（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布消息： EAST近期實現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，獲得的實驗參數接近未來聚變堆穩態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態運行的物理和工程方面繼續走在國際前沿，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的成功經驗已經支撐了ITER的建設。如研製出可通過90千安電流的高溫超導電流引線，使ITER製冷電耗每年減少2/3以上；證明ITER磁體電源設計方案存在的風險，並設計出新方案。宋雲濤這樣展望未來：「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。」
中國工程聚變堆設計圖
CFETR於2011年啟動設計研究。根據中國科學家的設想，CFETR共分兩期完成。一期採取類ITER技術，目標是穩定運行；二期則以自主創新為主，目標是示範核聚變發電。CFETR的任務是在ITER和未來的核聚變電站之間建起橋樑。CFETR被期望在後期階段實現「Q大於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大於10。
CFETR概念圖
當然，CFETR的設計製造也要藉助世界各國的專家人才。世界聚變研究發達國家美國、德國、法國、義大利等已經全面參與CFETR的設計；俄羅斯同行也表示將深入參與CFETR計劃。目前，CFETR裝置已完成設計研究並開始了工程化設計，有望在未來幾年啟動。
在開發核聚變能的路上，中國已從「追趕者」「並跑者」，成長為具備強大國際輸出能力的「領跑者」。
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