1月20日，EAST物理實(shí)驗(yàn)總負(fù)責(zé)人龔先祖（右）和中國(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副所長(zhǎng)陸坤擁抱慶祝。新華社記者 周牧 攝
“億度千秒”意味著什么？在這片不足3平方公里的小島上，研究人員又為此做了什么？下一個(gè)聚變能研究的目標(biāo)又在何處？
帶著這些疑問，讓我們走進(jìn)合肥科學(xué)島，探尋 EAST “億度千秒”創(chuàng)造世界紀(jì)錄的背后故事。
1000秒、高約束模式、1億攝氏度……EAST總是在不斷超越自己
1000秒能干什么？
四舍五入也就17分鐘，可能不過是普通人聊會(huì)天、喝杯茶、追部劇的工夫，而在合肥科學(xué)島等離子體所研究人員的“時(shí)間尺度”里，為了實(shí)現(xiàn)等離子體在高約束模式下完成1億攝氏度1000秒的運(yùn)行，他們已為此“奔波”很多年。
1億攝氏度、1000秒、高約束模式……用中國(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團(tuán)委書記葉華龍的話說，EAST單純運(yùn)行1000秒對(duì)現(xiàn)在的“人造太陽(yáng)”是“小case”，但若將其置于在另外兩個(gè)限制條件下，放眼全世界也有相當(dāng)?shù)碾y度。
托卡馬克裝置等離子體運(yùn)行模式可以分為H高約束模式、L低約束模式以及超級(jí)I模式等。在高約束模式下，等離子體運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，粒子的溫度、密度、約束性能均獲得較大幅度提升，能夠?yàn)樘嵘磥砭圩冸娬镜陌l(fā)電效率、降低成本奠定堅(jiān)實(shí)物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
不過，要約束住上億攝氏度的等離子體卻是一項(xiàng)復(fù)雜而危險(xiǎn)的工作。“它一旦觸碰到裝置內(nèi)壁，就會(huì)造成材料瞬間升華，所以一次次沖擊中斷是源于裝置自我保護(hù)系統(tǒng)的啟動(dòng)。”但之所以堅(jiān)持要在高約束模下完成1億攝氏度1000秒的持續(xù)運(yùn)行，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所科研工作者陳冉表示，只有這樣，才能發(fā)現(xiàn)一些我們以前從來沒有發(fā)現(xiàn)過的問題，從而為我們下一代聚變實(shí)驗(yàn)堆裝置提供有效的借鑒和參考。
Shot：150425；Pulse：1066.76s……
shot代表著目前為止的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，pulse則是最新的一次持續(xù)時(shí)間。1月20日下午5時(shí)20分當(dāng)EAST控制大廳屏幕上“pulse”定格在1066.76s時(shí)，大廳內(nèi)一片歡呼之聲：這是聚變研究從基礎(chǔ)科學(xué)研究邁向工程實(shí)踐的重大拐點(diǎn)，標(biāo)志著聚變能研究走上一個(gè)新臺(tái)階。而這一跨越的背后，是超15萬次放電實(shí)驗(yàn)的不斷嘗試。
兌現(xiàn)了的“冬日約定”
時(shí)間回溯到2024年11月，冬季科學(xué)島每當(dāng)夜幕降臨，顯得格外靜謐，但位于“島內(nèi)”的等離子體所卻總是燈火通明。
早在2024年7月，等離子體所研究人員就已經(jīng)著手為“EAST實(shí)現(xiàn)上億攝氏度1000秒的高約束模持續(xù)放電”做著全面準(zhǔn)備。11月，他們正式發(fā)起沖擊，臨近農(nóng)歷春節(jié)，這群“聚變?nèi)?rdquo;也想盡力在年前為全國(guó)人民送上一份“新春禮物”。就這樣，這群“聚變?nèi)?rdquo;在心中不約而同地立下了“冬日約定”。
客觀上說，在很多研究核聚能的專家眼里，高約束模下的千秒級(jí)運(yùn)行，是一個(gè)跨越式的挑戰(zhàn)目標(biāo)。
“若是把原先‘突破’看作是階段性考試，那這次就是‘大考’。”在EAST控制大廳，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所EAST裝置實(shí)驗(yàn)運(yùn)行總負(fù)責(zé)人龔先祖和很多所內(nèi)的研究人員一樣，為了這次突破，早已把這里當(dāng)成了“第二個(gè)家”。
而與大廳一墻之隔的就是EAST，它是全球首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，通過模擬太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的原理，用強(qiáng)磁場(chǎng)約束住高溫的等離子體，產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。
彼時(shí)，數(shù)十位研究人員每天要進(jìn)行大約100次的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，第二天晨會(huì)則進(jìn)行梳理總結(jié)。“在學(xué)術(shù)討論和科學(xué)目標(biāo)的制定過程中，我們崇尚學(xué)術(shù)自由，鼓勵(lì)大家暢所欲言，對(duì)最終方案的敲定集思廣益。一旦方案確定，我們將組織尖刀班、尖刀排去落實(shí)執(zhí)行。”龔先祖覺得，正是這樣的氛圍和干勁，讓EAST的突破變得只是“時(shí)間問題”。
記者在EAST控制大廳現(xiàn)場(chǎng)多次留意到一個(gè)現(xiàn)象：即便實(shí)驗(yàn)在臨近1000秒時(shí)失敗了，但大多數(shù)研究人員臉上卻很難看到遺憾惋惜的表情，計(jì)時(shí)一停止，他們就馬上投入到相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析中，陳冉也是其中之一。“我覺得每一次實(shí)驗(yàn)都是攀登峰頂?shù)囊淮螄L試，失敗不會(huì)讓我們氣餒，反而是通往成功的必然階段。”
經(jīng)歷過數(shù)百次的實(shí)驗(yàn)后，2024年11月24日，龔先祖決定讓EAST“歇一歇”，對(duì)裝置進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，彼時(shí)，龔先祖收到了分別來自美國(guó)和歐洲給出的預(yù)計(jì)修復(fù)時(shí)間。“一個(gè)是4個(gè)月左右，一個(gè)則說至少半年，但我們團(tuán)隊(duì)只用了半個(gè)月時(shí)間，就讓裝置恢復(fù)到了實(shí)驗(yàn)前的狀態(tài)。”
這讓龔先祖和團(tuán)隊(duì)成員們信心倍增。
2025年1月20日下午5時(shí)20分開始，隨著屏幕上不斷跳動(dòng)的參數(shù)從個(gè)位數(shù)、十位數(shù)、百位數(shù)，直至定格在1066.76秒，平時(shí)頗為淡定的龔先祖也難掩興奮，在工位上高舉雙臂，互相擁抱致意。他們不僅完成了“前無來者”的壯舉，也“按質(zhì)按時(shí)”地實(shí)現(xiàn)了這份“冬日約定”。
“億度千秒量級(jí)穩(wěn)態(tài)高約束模的實(shí)現(xiàn)充分驗(yàn)證了聚變堆高約束模穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的可行性，把聚變能源的研發(fā)進(jìn)程往前推進(jìn)一大步，對(duì)聚變堆的建設(shè)和運(yùn)行具有重大意義。”
期待“聚變太陽(yáng)”在中國(guó)第一個(gè)升起
作為一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，EAST的建設(shè)就是為了實(shí)現(xiàn)三大科學(xué)目標(biāo)：電流1兆安、溫度1億攝氏度、運(yùn)行維持1000秒。
從開工到建設(shè)，等離子體所的科研團(tuán)隊(duì)花了6年多時(shí)間建成EAST，并將掌握的大型超導(dǎo)技術(shù)、精準(zhǔn)控制技術(shù)、加熱技術(shù)、真空技術(shù)、射頻技術(shù)、電源技術(shù)、低溫技術(shù)等68項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)融入其中，最重要的是，EAST所有關(guān)鍵技術(shù)全部由中國(guó)人自主研發(fā)。
如今，在四代科研工作者、20多個(gè)科研小組的共同努力下，有“人造太陽(yáng)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）屢獲重大突破。
2006年9月16日，EAST獲得了第一次等離子體；2012年，實(shí)現(xiàn)411秒2000萬攝氏度等離子體運(yùn)行；2016年，實(shí)現(xiàn)5000萬攝氏度102秒等離子體運(yùn)行；2017年，實(shí)現(xiàn)101秒高約束模等離子體運(yùn)行；2021年，實(shí)現(xiàn)1.2億攝氏度101秒等離子體運(yùn)行；2023年，實(shí)現(xiàn)403秒可重復(fù)的長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行；2025年，EAST首次完成1066.76秒高約束模等離子體運(yùn)行……
在一系列里程碑式突破的背后，人們不禁開始暢想“人造太陽(yáng)”何時(shí)才能真正“升起”？
龔先祖介紹，目前研究處于實(shí)驗(yàn)裝置階段，科研人員要探索的就是在時(shí)間尺度上能夠去穩(wěn)定地維持高參數(shù)的等離子體，從而為后續(xù)新的裝置提供核心的技術(shù)支撐，而若要造出真正有實(shí)用價(jià)值的“人造太陽(yáng)”，必須要一步步跨越實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)堆、工程堆、示范堆、商業(yè)電站等多個(gè)階段，而這一過程仍需要至少數(shù)十年的研究。“正是有了源源不斷投身聚變能研究事業(yè)的年輕人，才讓我覺得時(shí)間不是問題。”
目前，在等離子體所1500人左右的團(tuán)隊(duì)里，不乏像陳冉這樣的青年科研工作者，他們不僅是EAST的骨干，還承擔(dān)起了下一代裝置“夸父”的建造任務(wù)。
對(duì)于聚變能研究，青年“聚變?nèi)?rdquo;的雄心壯志更是“直指未來”。“我們要攻克的下一個(gè)里程碑式事件，就是讓通過聚變能點(diǎn)亮的第一盞燈亮在中國(guó)。”
合報(bào)科學(xué)+融媒體工作室
合肥通客戶端-合報(bào)全媒體記者 汪濤/文 張正朋/圖
