中國實際應用“人造太陽”不是夢
本報記者 趙覺珵 張 卉
編者的話：環境污染、氣候變化、資源匱乏……當今世界面臨的諸多危機均源於能源問題，而尋找一種清潔、安全、可持續的能源也成為全球科學界的一項重大研究課題。參照太陽的核聚變反應，各國科學家從上世紀起開始探索如何利用地球上儲量極其豐富的氘製造出“人造太陽”，為人類提供永續的清潔能源。
在這一進程中，中科院合肥研究院等離子體物理研究所研製、有“東方超環”之稱的全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（簡稱EAST）是全球最重要的實驗平台之一。等離子體物理研究所副所長鬍建生近日在接受《環球時報》記者專訪時介紹稱，聚變能科學可行性已經被證實，完成了80%以上的關鍵技術積累，中國有望未來30-50年實現聚變能實際應用。
怎麼造出“人造太陽”
環球時報：在“人造太陽”（磁約束核聚變）領域，世界各主要國家都在同台競技，請問建成於2006年的中國“人造太陽”EAST在研發路線和技術方向上有何特點？
胡建生：聚變研究是非常複雜的系統工程，無論是從關鍵物理問題，還是工程技術，都極具挑戰。世界上主要的聚變研究機構大多有自己的聚變裝置，我們建造並正在運行的“人造小太陽”，也就是全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），它是世界上首個非圓截面全超導託卡馬克裝置。
與國際上大多數採用常規磁體的短脈衝運行裝置相比，EAST裝置的研究方向主要瞄準高參數長脈衝等離子體運行，探究高性能等離子體、先進穩態運行模式等高温等離子體穩定運行中的一些關鍵物理問題和工程技術問題。目前，EAST具備與國際熱核聚變實驗堆（ITER）（全球最大的實驗性託卡馬克核聚變反應堆裝置，已於2020年開始組裝，包括中國在內七方30多個國家參與其中——編者注）最為相近的工程技術條件，包括超導穩態磁場和高功率長時間加熱能力，與ITER位形相似的可以承受高熱負荷衝擊的鎢銅偏濾器系統，以及靈活的等離子體控制能力，可以開展低動量、電子加熱為主的長脈衝等離子體物理實驗。
環球時報：目前EAST取得哪些成果？整體研究水平處於國際什麼水平？
胡建生：EAST自建成運行以來，取得一系列重要成果。去年5月，EAST實現可重複的1.2億攝氏度101秒等離子體運行和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，創造託卡馬克實驗裝置運行新的世界紀錄。去年年底，EAST在注入能量達到1.73吉焦的條件下，實現1056秒的長脈衝高參數等離子體運行，其間電子温度近7000萬攝氏度。這是目前世界上託卡馬克裝置高温等離子體運行的最長時間紀錄。
這些表明EAST裝置成功驗證了全金屬主動水冷第一壁、高性能鎢偏濾器、穩態高功率波加熱、等離子體位形精密控制等一系列未來聚變堆關鍵技術和方法，闡明瞭長脈衝高參數運行的基本要求和關鍵物理過程，在穩態長脈衝等離子體運行方面處於國際領先地位，為ITER及未來聚變堆發展提供了強有力的工程技術和科學理論支持。
環球時報：近日，“人造太陽”開啓新一輪實驗。請介紹一下此輪實驗的目標和進展。
胡建生：目前，EAST剛剛開始最新一輪實驗，處於調試階段，並初步建立了等離子體。本輪實驗，主線目標是率先實現400秒量級的高約束等離子體（ITER運行目標之一），並且開展高功率加熱的百秒量級等離子體實驗。這些目標是在前期長脈衝等離子體實驗基礎上，進一步提高加熱功率和等離子體約束性能，拓展等離子體參數區間，實現穩態等離子體運行新突破，為實現ITER歸一化參數水平的長脈衝等離子體運行奠定基礎。同時，我們已在全球範圍內徵集EAST實驗提案，強化國內外合作，探索先進運行模式，深度研究等離子體關鍵物理，為ITER及未來聚變堆建設運行提供關鍵科學和技術驗證。
開放共享的國際實驗標杆
環球時報：基於EAST開展的國際合作越來越多，等離子體物理研究所也成立了國際聚變能聯合研究中心，能否介紹一下這方面的情況？
胡建生：EAST已成為中外等離子體物理與聚變科學家最重要的研究平台之一，引領磁約束聚變前沿研究，為牽頭髮起國際大科學計劃奠定堅實基礎。參與EAST實驗提案的合作者有來自歐美日韓等發達國家，也有發展中國家的專家。目前，美國能源部仍將EAST列為未來美國磁約束聚變合作的首選裝置。近年來，EAST國際實驗提案佔總提案數的46%，EAST已經成為全球開放共享的國際實驗標杆裝置。中科院合肥研究院等離子體物理研究所還與歐美日韓俄等建立政府間聚變框架協議，與超過120個國際研究機構和組織建立穩定合作關係，與國際聚變界最主要的聚變研究單位簽署正式合作協議39份，成立了22個不同的工作組。
2017年基於中法聯合實驗室的合作成果，還成立了“中法聚變聯合研究中心”（SIFFER）。2017年，我們主導國際聚變專家聯合發表《北京聚變宣言》，參與簽署的40多個國外科研機構表示支持並共同參與中國聚變堆的設計與建設。2018年底，我們發起成立了國際聚變能聯合研究中心，得到國際聚變界大力支持，也為我們下一步開展磁約束聚變國際大科學工程建設奠定基礎。
環球時報：我國於2006年正式簽約加入ITER計劃，中國科研機構和企業在其中扮演着何種角色？
胡建生：聚變能研究以解決人類能源問題為最終目標，是國際科研合作參與度最高的科研領域。通過建設運行EAST裝置和深度參加ITER計劃等，我們現已建立最廣泛的共享互惠國際合作網絡。“十三五”期間，我們通過參與國際競標類項目，成功獲取大量國際經費。以ITER項目為代表，承擔了ITER採購包國內計劃70%的任務，通過國際競標成功中標ITER PF6和ITER TAC1總裝項目，成功進入歐洲核能工程建造市場。參與ITER項目的過程中，先後派遣100多人長期堅守在法國ITER現場，參與領域基本覆蓋了ITER主機的所有核心內容。20餘位科研人員先後在ITER國際組織所屬的國際評估組、專家組和工作組中擔任重要職務。
距離實際應用還有多遠
環球時報：“人造太陽”何時能夠真正持續地提供清潔能源。能否介紹下我國在這方面的路線圖？
胡建生：我們在這一塊還是分兩個路徑去走：一個是仍然要在科學理論上，解決一些關鍵物理問題；另一個是工程技術問題。目前，作為實驗平台的EAST，仍然會開展物理實驗，也包括國際聯合的物理實驗，來研究先進穩態運行模式。同時，正在建設聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施CRAFT，計劃於2025年完工。
基於EAST和CRAFT的研究與工程基礎，我們正在謀劃建造一個緊湊型聚變能實驗堆，實現燃燒等離子體，產出聚變能，並研究燃燒等離子體關鍵物理問題，為未來聚變堆建設打下堅實基礎。再下一步，我們希望儘快啓動建造CFETR（中國聚變工程實驗堆），將研究走向實用化，以實現聚變能源為目標，直接瞄準未來聚變能的開發和應用。同時，我們也會以多種形式深度參與ITER項目總裝、調試與運行，進一步提升科學技術實力，培養我們聚變人才。
總體來看，我國經過這麼多年發展，聚變能科學可行性已經被證實，完成了80%以上的關鍵技術積累。可以在國家和社會的大力支持下，快速推動中國聚變工程實驗堆建設與運行，有望未來30-50年實現聚變能實際應用。
環球時報：目前，“人造太陽”的研究哪些關鍵技術瓶頸有待突破？
胡建生：“人造太陽”的最終研究目標是為人類提供清潔能源。針對這一遠期目標，需要從物理研究、工程技術、經濟性等方面共同發力，取得全面進展，最終使聚變能成為可靠的能源。物理研究方面，主要需解決的問題是燃燒等離子體的實現及其穩定自持。工程技術方面，最關鍵的領域有高温超導磁體技術、氚循環利用、反應堆材料研發、聚變核安全等。經濟性方面，需重點解決能量轉換、電網技術等。
環球時報：“人造太陽”意味着一個永續的清潔能源，這對於中國以綠色、低碳能源為主導的新型消費能源體系有何意義？一些早期成果是否已開展轉化？
胡建生：世界主要國家均積極投入聚變能開發與應用研究，這也是我國能源發展的長期戰略目標。一旦成功實現聚變能，可以為國家和人類提供永續的清潔能源，可以完全替代化石能源，對於中國建設以綠色、低碳能源為主導的新型消費能源體系、履行“雙碳”承諾有着極為重要的意義。在聚變能研究過程中，涉及的關鍵技術，包括等離子體、真空、低温、電源、超導磁體等技術已經轉化應用。未來將進一步加強產業推廣，在超導磁體、渦流制動、濾波器、絕緣部件、低温裝備、太赫茲檢測、微波裝備、特種焊接、特種檢測等方面實現突破，為國民經濟服務。▲