5年“點(diǎn)火”上萬次，他們讓億度人造太陽運(yùn)行上千秒

文 ｜ 《中國科學(xué)報(bào)》 記者 張楠

“托卡馬克，是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。”1月26日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院（以下簡稱合肥研究院）副院長宋云濤在“兩院院士評選2025年中國/世界十大科技進(jìn)展新聞”的發(fā)布會(huì)上作報(bào)告。其團(tuán)隊(duì)的成果——中國“人造太陽”EAST（全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置）創(chuàng)造“億度千秒”世界紀(jì)錄，獲評“2025年中國十大科技進(jìn)展新聞”。榮譽(yù)接踵而至，兩天后，“超導(dǎo)托卡馬克穩(wěn)態(tài)高約束等離子體關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”又獲頒2025年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)科技攻關(guān)獎(jiǎng)。

“挫折是我們科研道路上最常遇見的‘伙伴’，但每一次失敗，都是向成功邁進(jìn)了一步，因?yàn)槲覀兊恼J(rèn)知得以深化。”宋云濤近日接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，“EAST實(shí)驗(yàn)的每一步都穩(wěn)扎穩(wěn)打，每一次的重大突破和創(chuàng)造的世界紀(jì)錄都來之不易。”

2025年1月，團(tuán)隊(duì)在EAST創(chuàng)億度千秒高約束模紀(jì)錄現(xiàn)場合影。周牧/攝

與“太陽”共舞

“2025年1月20日的那個(gè)傍晚，是對所有汗水、智慧與堅(jiān)守的最高褒獎(jiǎng)，是‘逐日’理想終于照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的光輝見證。”說起EAST實(shí)現(xiàn)1億攝氏度1066秒高約束模式等離子體運(yùn)行的突破，宋云濤似乎又聽到了那天控制大廳里人們的歡呼聲。

實(shí)現(xiàn)可控核聚變，被公認(rèn)為解決人類未來能源問題的終極理想。然而，在地球上復(fù)現(xiàn)太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控的能量輸出，難度超乎想象。

“實(shí)現(xiàn)聚變能可控、長時(shí)穩(wěn)定維持，穩(wěn)態(tài)高約束等離子體放電是核心難題，也是國際聚變界的競爭焦點(diǎn)。”宋云濤說。

在EAST內(nèi)部，多種極端環(huán)境被強(qiáng)行“封裝”在一起。

用于產(chǎn)生約束磁場的超導(dǎo)線圈，工作在-269℃的液氦低溫中；而被約束的等離子體狀態(tài)的氫同位素，卻被加熱到上億攝氏度；為了減少能量損失，裝置內(nèi)部需要維持極高的真空度，其壓力僅相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的千億分之一；為了形成強(qiáng)大的“磁籠”，線圈中需要通入上萬安培的電流，產(chǎn)生數(shù)萬高斯的強(qiáng)磁場。工程挑戰(zhàn)之大，可見一斑。

整個(gè)EAST裝置包含22個(gè)大系統(tǒng)、上百萬個(gè)零部件，每一次成功放電，都是對復(fù)雜系統(tǒng)高度集成與協(xié)同能力的嚴(yán)苛考驗(yàn)。物理、工程、控制等數(shù)百名不同專業(yè)背景的科研人員，需要像精密鐘表的零部件一樣協(xié)同工作。

“億度千秒穩(wěn)態(tài)高約束等離子體”的實(shí)現(xiàn)，是三重極限的協(xié)同挑戰(zhàn)：“億度”是點(diǎn)燃聚變反應(yīng)的溫度門檻，“千秒”是邁向穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的時(shí)間標(biāo)尺，“高約束模式”則是未來聚變堆實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的物理基礎(chǔ)。

“任何一環(huán)的短板都意味著前功盡棄。”獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)成員、合肥研究院等離子體物理研究所（以下簡稱等離子體所）副所長陸坤介紹，在實(shí)驗(yàn)策劃階段，他們開展了持續(xù)數(shù)年的多輪物理模擬與工程設(shè)計(jì)迭代。

通往1066秒的道路并非一蹴而就，而是由一次次臺(tái)階式的突破鋪就：“1.2億度101秒等離子體運(yùn)行”入選2021年度國內(nèi)十大科技新聞；“1056秒高參數(shù)等離子體”被國際權(quán)威機(jī)構(gòu)列為2021年世界聚變研究五大標(biāo)志性進(jìn)展之一；“403秒高約束模”被列為2024中關(guān)村論壇年會(huì)十大重大科技成果。

每一次突破，都為最終跨越千秒大關(guān)積累了寶貴的物理認(rèn)知與工程經(jīng)驗(yàn)。

馭“光”三術(shù)

要“馴服”上億度的等離子體長達(dá)千秒，必須系統(tǒng)攻克三大關(guān)鍵瓶頸：磁位型如何長時(shí)精確控制、能量如何高效注入與維持、極端熱流與雜質(zhì)如何有效排除。也就是說，要求位置控得住、溫度上得去，同時(shí)性能不衰退。EAST團(tuán)隊(duì)在這三方面取得了一系列從理論到工程的自主突破，用三術(shù)“馭”光。

第一術(shù)，超導(dǎo)磁體與精準(zhǔn)控制技術(shù)，鑄就“最穩(wěn)磁籠”。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的首要前提是磁場穩(wěn)定。團(tuán)隊(duì)直面超導(dǎo)磁體系統(tǒng)工程化的世界級難題，攻克了萬安級高溫超導(dǎo)電流引線、納歐級低阻超導(dǎo)接頭等瓶頸，自主研發(fā)的電流引線性能達(dá)到100千安。團(tuán)隊(duì)還建成了一流的綜合性研究及測試平臺(tái)，為磁體系統(tǒng)的長時(shí)安全運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在控制層面，團(tuán)隊(duì)提出了創(chuàng)新的誤差場補(bǔ)償方法，成功抑制了等離子體邊界的不穩(wěn)定性，并發(fā)明了快速響應(yīng)控制技術(shù)，將位型調(diào)整時(shí)間縮短至0.5毫秒，實(shí)現(xiàn)了對等離子體“姿態(tài)”的毫米級調(diào)控。

第二術(shù)，高效加熱與電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，供給“持續(xù)心跳”。

等離子體被約束后，仍需持續(xù)注入巨大能量以維持上億度高溫。團(tuán)隊(duì)建成了低雜波、中性束、電子回旋、離子回旋等輔助加熱系統(tǒng)，并開發(fā)了新型低雜波天線和動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償方法，攻克了射頻波電流驅(qū)動(dòng)效率低的難題。

第三術(shù)，高熱負(fù)荷與粒子排除技術(shù)，構(gòu)建“終極防火墻”。

如何讓裝置內(nèi)壁在距離高溫等離子體毫米級的地方不被燒毀，是最大的工程挑戰(zhàn)之一。

團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了可耐受20兆瓦/平方米穩(wěn)態(tài)熱流的鎢銅偏濾器系統(tǒng)，成功破解了億度高溫下高通量熱流的實(shí)時(shí)排除難題。

針對等離子體運(yùn)行中雜質(zhì)積累的問題，團(tuán)隊(duì)提出了粉末注入實(shí)時(shí)調(diào)控方法，將等離子體的核心雜質(zhì)鎢的含量控制在10-5以下；同時(shí)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了抽速達(dá)13萬升/秒的聚變堆級大型吸附式低溫泵，解決了長脈沖放電邊緣粒子實(shí)時(shí)排除的難題，拓展了等離子體的運(yùn)行區(qū)間。

這些創(chuàng)新技術(shù)在EAST裝置上集成應(yīng)用，創(chuàng)造了億度千秒穩(wěn)態(tài)高約束等離子體放電的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了聚變從科學(xué)研究向工程應(yīng)用的歷史性跨越。

基于這些突破，團(tuán)隊(duì)近5年授權(quán)發(fā)明專利415件，其中包括國際專利8件，牽頭制定國際標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)，發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等77項(xiàng)，形成了完整的自主知識產(chǎn)權(quán)體系。

聚變之“和”

“這項(xiàng)成果是合肥研究院全超導(dǎo)托卡馬克大科學(xué)團(tuán)隊(duì)建制化體系化攻關(guān)的體現(xiàn)。”宋云濤介紹，EAST團(tuán)隊(duì)成員來自等離子體物理、超導(dǎo)技術(shù)、真空工程、材料科學(xué)、自動(dòng)控制、低溫工程等上百個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。

獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)成員、等離子體所黨委副書記錢金平認(rèn)為：“在這個(gè)體系中，老一輩科學(xué)家如同‘定盤星’，憑借深厚積淀把握方向、研判風(fēng)險(xiǎn)；中年科研骨干是‘頂梁柱’，主導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與系統(tǒng)集成；青年科技人員則像突擊隊(duì)，充滿創(chuàng)新銳氣，善于運(yùn)用新工具、新方法破解難題。”

在沖擊千秒紀(jì)錄的關(guān)鍵階段，他們曾遭遇等離子體邊界雜質(zhì)積累過快的棘手問題。但這種多學(xué)科深度協(xié)同在攻堅(jiān)時(shí)刻展現(xiàn)出巨大能量——物理診斷團(tuán)隊(duì)率先從復(fù)雜的光譜信號中捕捉到異常征兆；理論與模擬團(tuán)隊(duì)隨即開展溯源分析；工程團(tuán)隊(duì)立刻根據(jù)模擬結(jié)果，對相關(guān)部件的冷卻方案和材料狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整；與此同時(shí)，等離子體控制團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了加料與雜質(zhì)排除的反饋控制算法。

科研之路布滿荊棘，宋云濤并不諱言失敗：“5年來，我們進(jìn)行了上萬次放電實(shí)驗(yàn)，絕大多數(shù)并未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。重大挫折也屢見不鮮。但每一次失敗，都為我們排除了一個(gè)錯(cuò)誤選項(xiàng)，深化了一層對未知的認(rèn)識。”

在一次重大實(shí)驗(yàn)失利后，一位資深的老專家沒有召開會(huì)議問責(zé)，而是在深夜的實(shí)驗(yàn)室里，與幾位核心骨干一起，借助一塊白板，從最基本的物理圖像開始，一步步復(fù)盤、推演、爭論，直到天明。

“那是一次完全專注于問題本身的、純粹的學(xué)術(shù)探討。正是無數(shù)個(gè)這樣靜下心來、直面問題的‘促膝長談’，讓我們在挫折后重新凝聚共識，找到新的突破方向。”宋云濤表示。

如今，中國的成果與經(jīng)驗(yàn)正在深刻影響國際聚變進(jìn)程。EAST發(fā)展的超導(dǎo)、加熱、偏濾器等關(guān)鍵技術(shù)已成功應(yīng)用于國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）等國內(nèi)外十余個(gè)大科學(xué)裝置。ITER科學(xué)部門負(fù)責(zé)人曾公開表示，需要依靠EAST的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證未來ITER實(shí)驗(yàn)堆的可靠性。

下一步，科研團(tuán)隊(duì)將聚焦我國下一代“人造太陽”——緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BEST）。它是聚變工程研究的關(guān)鍵，有望實(shí)現(xiàn)由反應(yīng)本身產(chǎn)生熱量維持的核聚變。

在研究團(tuán)隊(duì)看來，“聚變應(yīng)當(dāng)成為也必須能夠成為建設(shè)世界科技強(qiáng)國的標(biāo)志性成果之一”。從EAST到BEST，從1066秒到未來的無盡光明，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最大的愿景始終清晰：為人類開發(fā)近乎無限的清潔能源——可控核聚變能。它是從根本上保障能源安全、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的終極能源解決方案之一。他們正為人類共同的聚變能源夢想，持續(xù)貢獻(xiàn)中國智慧與中國方案。

《中國科學(xué)報(bào)》 (2026-02-05 第1版 要聞)

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