葉華龍

（中國(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，安徽 合肥 230031）

聚變能因其清潔、環(huán)保、安全、原材料儲(chǔ)量極其豐富等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是人類未來理想的新能源。中國(guó)核聚變研究經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，廣大科研工作者弘揚(yáng)新時(shí)代科學(xué)家精神，在40余年的“人造太陽(yáng)”核聚變征程中，凝聚成了一支特別能戰(zhàn)斗、特別能打硬仗、值得信賴的科研團(tuán)隊(duì)（核聚變大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)），建成并運(yùn)行了四大托卡馬克裝置等多個(gè)國(guó)之重器，取得了一系列具有原創(chuàng)性國(guó)際領(lǐng)先水平的科研成果，為人類核聚變研究作出了重要貢獻(xiàn)。

1 建成并運(yùn)行世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克

1.1 EAST托卡馬克裝置建設(shè)

核聚變大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)建成世界第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)偏濾器托卡馬克EAST。它是目前國(guó)際上唯一具備與ITER類似條件，相同加熱方式；最有能力在粒子平衡時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)脈沖高性能運(yùn)行；并挑戰(zhàn)與ITER接近的超過10MW/m2的靶板熱負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。建設(shè)初期，EAST項(xiàng)目學(xué)科涉及面廣，技術(shù)難度大，要同時(shí)具有上億溫度的“超高溫”、﹣269℃的“超低溫”、“超大電流”、“超強(qiáng)磁場(chǎng)”、“超高真空”等極限條件，許多關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)際上尚無經(jīng)驗(yàn)借鑒。EAST項(xiàng)目于1998年立項(xiàng)，2000年正式獲批開工建設(shè)，2005年底完成裝置總裝。關(guān)鍵核心技術(shù)要不來、買不來、討不來的，必須依靠自力更生，依靠科技創(chuàng)新，歷經(jīng)8年，克服重重困難，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，自主發(fā)展數(shù)十項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，建成系列子系統(tǒng)，完成裝置建設(shè)并實(shí)現(xiàn)工程調(diào)試一次性成功。在裝置研制過程中，還創(chuàng)造了若干重大創(chuàng)新點(diǎn)，如大型超導(dǎo)磁體、超高真空、偏濾器、超導(dǎo)導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)等，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

1.2 EAST托卡馬克裝置運(yùn)行成果

2006年至今，EAST裝置開展了15輪物理實(shí)驗(yàn)，總放電近十萬次，核聚變大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)在EAST裝置物理實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中取得了一系列創(chuàng)新成果。2006-09，EAST首次等離子體放電成功；2010年實(shí)現(xiàn)100 s長(zhǎng)脈沖等離子體放電；2012年獲得超過400 s的2 000萬度高參數(shù)偏濾器等離子體，獲得穩(wěn)定重復(fù)超過30 s的高約束等離子體放電；2013年與DIII-D裝置首次聯(lián)合實(shí)驗(yàn)獲得成功，探索出一種先進(jìn)運(yùn)行模式；2014年首次實(shí)現(xiàn)重復(fù)的完全抑制邊界局域模穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體；2016年實(shí)現(xiàn)電子溫度超過5千萬攝氏度、持續(xù)時(shí)間達(dá)102 s的超高溫長(zhǎng)脈沖等離子體放電；2017年實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2 s秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行世界紀(jì)錄。2018年和2019年實(shí)現(xiàn)高約束、高密度、高比壓的完全非感應(yīng)先進(jìn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式和電子溫度1億攝氏度等離子體運(yùn)行。

針對(duì)EAST穩(wěn)態(tài)高約束運(yùn)行模式發(fā)展需求，在大功率加熱、低動(dòng)量注入和金屬壁條件下，探索具有穩(wěn)態(tài)高約束性能芯部等離子體且與偏濾器脫靶相兼容的先進(jìn)運(yùn)行模式；兼顧發(fā)展包括I-模、混雜運(yùn)行等多種高約束模式，拓展運(yùn)行區(qū)間；在類ITER未來運(yùn)行條件下，集成相關(guān)加熱/加料組合、等離子體控制方法，獲得ITER未來穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式歸一化參數(shù)范圍的等離子體。開展高約束臺(tái)基物理研究，理解臺(tái)基結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)演化以及臺(tái)基穩(wěn)定性的問題，探索全金屬壁條件下能較好屏蔽雜質(zhì)的高約束臺(tái)基運(yùn)行區(qū)間。

2 自主研發(fā)聚變工程關(guān)鍵技術(shù)

2.1 樹立中國(guó)品牌形象

憑借在托卡馬克裝置上40多年的技術(shù)積累，核聚變大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)讓中國(guó)設(shè)計(jì)和中國(guó)制造應(yīng)用于ITER國(guó)際大科學(xué)工程項(xiàng)目。充分發(fā)揮大科學(xué)團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢(shì)和大科學(xué)文化精神，組建培養(yǎng)了一支矢志創(chuàng)新、敢于挑戰(zhàn)、勇于擔(dān)當(dāng)、追求卓越的ITER大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)，包含科學(xué)家、工程師、加工制造等在內(nèi)，從事國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER計(jì)劃相關(guān)工作的人員約550人。其中100多人先后長(zhǎng)期堅(jiān)守在法國(guó)ITER現(xiàn)場(chǎng)，從事設(shè)計(jì)、磁體、電源、包層、真空、杜瓦、診斷、加料、控制、調(diào)試以及工程安裝等工作，基本覆蓋了ITER主機(jī)的所有核心內(nèi)容。此外，有20余位科學(xué)家先后在ITER國(guó)際組織所屬的國(guó)際評(píng)估組、專家組和工作組中擔(dān)任重要職務(wù)。

2.2 創(chuàng)新發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

承擔(dān)導(dǎo)體、校正場(chǎng)線圈、超導(dǎo)饋線、電源、診斷等采購(gòu)包。承擔(dān)的ITER部件研發(fā)任務(wù)做到了100%合格、100%國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)度均處于ITER七方30多個(gè)國(guó)家之首。修正了原ITER電源、超導(dǎo)饋線等重大系統(tǒng)和部件的不合理設(shè)計(jì)，以新的設(shè)計(jì)方法以及經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)，證明了中國(guó)設(shè)計(jì)的正確性與合理性，徹底消除ITER未來運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，為國(guó)家爭(zhēng)取了大量的ITER份額。研制出世界最大電流的高溫超導(dǎo)電流引線，創(chuàng)下了高溫超導(dǎo)電流引線載流能力的世界最高記錄，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)在高溫超導(dǎo)大電流引線領(lǐng)域應(yīng)用零的突破。研制的大電流超導(dǎo)鎧裝導(dǎo)體一次性通過嚴(yán)格苛刻的國(guó)際驗(yàn)證，性能居ITER各方之首，并率先交付ITER采購(gòu)包首件產(chǎn)品。完成聚變特種電源所有關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，建成國(guó)內(nèi)最大功率的直流測(cè)試平臺(tái)。解決了超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)饋線、校正場(chǎng)線圈、內(nèi)部線圈等多項(xiàng)重大工程技術(shù)瓶頸，承擔(dān)了相關(guān)采購(gòu)包的全部任務(wù)。

憑借先進(jìn)的研發(fā)工藝和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，通過國(guó)際競(jìng)標(biāo)贏得了歐盟無法完成的大型超導(dǎo)磁體PF6建造任務(wù)?？傊爻^400 t，外徑超過11 m的PF6線圈于2019年研制成功，2020-03由合肥始發(fā)，在克服全球新冠肺炎疫情蔓延、國(guó)際物流嚴(yán)重受阻、人員防控制約等重重不利影響的因素下，2020-06底PF6順利抵達(dá)交付目的地。PF6線圈是ITER裝置主機(jī)的最重要部分之一，位于ITER裝置超導(dǎo)磁體的底部，是目前國(guó)際上研制成功的質(zhì)量最大、難度最高的超導(dǎo)磁體。PF6線圈所有關(guān)鍵制造工藝及部件全部一次性通過ITER國(guó)際組認(rèn)證，雙餅制造合格率達(dá)到100%，超導(dǎo)接頭性能顯著優(yōu)于ITER技術(shù)要求。此外還實(shí)現(xiàn)向發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)輸出，部分產(chǎn)品國(guó)際市場(chǎng)占有率達(dá)到100%。

3 開展全面開放共享的國(guó)際合作

3.1 國(guó)際前沿的開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

核聚變研究是當(dāng)今國(guó)際科技合作最廣泛的研究領(lǐng)域之一，始終以開放共享為主旋律。核聚變大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)立足開展以我為主的國(guó)際合作，與30余個(gè)國(guó)家和地區(qū)建立了穩(wěn)定合作交流關(guān)系。EAST裝置獨(dú)特的性能、開放共享的姿態(tài)和取得的實(shí)驗(yàn)成果，獲得了國(guó)際聚變界高度認(rèn)可，成為國(guó)際磁約束聚變裝置中最前沿的國(guó)際開放平臺(tái)之一。團(tuán)隊(duì)在第14次全球研究基礎(chǔ)設(shè)施高官會(huì)議上作開放共享典型案例報(bào)告，被評(píng)為中國(guó)全球開放共享重大設(shè)施的典范，同時(shí)被列入金磚國(guó)家開放的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施名單。中法雙方成立聚變聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，在EAST和WEST兩大裝置上開展合作研究；中俄合作定期研討會(huì)晤，EAST與NICA兩大裝置合作納入中俄政府科技合作內(nèi)容；與歐盟開展全方位合作，已建立超過10個(gè)聯(lián)合研究工作組。EAST裝置已是國(guó)際上有能力在高參數(shù)條件下開展長(zhǎng)脈沖聚變等離子體物理和工程技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一，同時(shí)是面向國(guó)內(nèi)外開放的核聚變實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和研究中心。

3.2 以我為主的國(guó)際合作

核聚變大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)全面參與合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心建設(shè)，正在建設(shè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合設(shè)施，建成具有國(guó)際領(lǐng)先水平的超導(dǎo)磁體研究系統(tǒng)和主機(jī)及偏濾器研究系統(tǒng)。發(fā)起并與歐、美、俄等主要國(guó)際聚變研究機(jī)構(gòu)成立國(guó)際聚變能聯(lián)合中心，聚焦核聚變研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及開展高效務(wù)實(shí)合作研究。此外，發(fā)起并推動(dòng)中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目，目前已經(jīng)開展了中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件預(yù)研系列工作，旨在為世界聚變研究作出更多貢獻(xiàn)。

4 推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化

面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，核聚變大科學(xué)工程團(tuán)隊(duì)在承擔(dān)大科學(xué)工程項(xiàng)目中自主發(fā)展的超導(dǎo)、電源、低溫、微波、材料等關(guān)鍵聚變工程技術(shù)，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)一批高新技術(shù)企業(yè)的蓬勃發(fā)展。將超導(dǎo)、低溫技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療，研制質(zhì)子治療系統(tǒng)，即世界最緊湊型質(zhì)子治療裝備，可大幅提高中國(guó)精準(zhǔn)醫(yī)療水平和高端醫(yī)療裝備國(guó)產(chǎn)化水平。積極開拓新的研究領(lǐng)域和交叉科學(xué)，確立了低溫等離子體技術(shù)在環(huán)境、新能源、化工、新材料等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。對(duì)成熟的成果進(jìn)行轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，成立公司或參股公司，實(shí)現(xiàn)良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)為社會(huì)提供眾多就業(yè)崗位。

5 總結(jié)

EAST裝置獨(dú)有的非圓截面、全超導(dǎo)及主動(dòng)冷卻內(nèi)部結(jié)構(gòu)三大特性，可對(duì)受控核聚變相關(guān)的前沿物理問題開展探索性的實(shí)驗(yàn)研究，為未來穩(wěn)態(tài)、安全、高效的先進(jìn)商業(yè)聚變堆提供物理和工程技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)前，團(tuán)隊(duì)正在全面提升EAST裝置性能，將進(jìn)一步大力推進(jìn)國(guó)際合作，針對(duì)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER和未來聚變工程試驗(yàn)堆，深入開展近堆芯參數(shù)條件下的長(zhǎng)脈沖等離子體物理研究，重點(diǎn)解決適合于未來聚變反應(yīng)堆高約束穩(wěn)態(tài)運(yùn)行關(guān)鍵物理和技術(shù)問題，為推動(dòng)國(guó)家核聚變能源事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，為早日實(shí)現(xiàn)核聚變能源的開發(fā)利用而不懈奮斗。