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環(huán)境污染、氣候變化、資源匱乏……當今世界面臨的諸多危機均源于能源問題，而尋找一種清潔、安全、可持續(xù)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(yīng)，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制造出“人造太陽”，為人類提供永續(xù)的清潔能源。

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EAST裝置。

在這一進程中，中科院合肥研究院等離子體物理研究所研制、有“東方超環(huán)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（簡稱EAST）是全球最重要的實驗平臺之一。等離子體物理研究所副所長胡建生近日在接受《環(huán)球時報》記者專訪時介紹稱，聚變能科學可行性已經(jīng)被證實，完成了80%以上的關(guān)鍵技術(shù)積累，中國有望未來30-50年實現(xiàn)聚變能實際應(yīng)用。

怎么造出“人造太陽”

環(huán)球時報：在“人造太陽”（磁約束核聚變）領(lǐng)域，世界各主要國家都在同臺競技，請問建成于2006年的中國“人造太陽”EAST在研發(fā)路線和技術(shù)方向上有何特點？

胡建生：聚變研究是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，無論是從關(guān)鍵物理問題，還是工程技術(shù)，都極具挑戰(zhàn)。世界上主要的聚變研究機構(gòu)大多有自己的聚變裝置，我們建造并正在運行的“人造小太陽”，也就是全超導(dǎo)托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(dǎo)托卡馬克裝置。

與國際上大多數(shù)采用常規(guī)磁體的短脈沖運行裝置相比，EAST裝置的研究方向主要瞄準高參數(shù)長脈沖等離子體運行，探究高性能等離子體、先進穩(wěn)態(tài)運行模式等高溫等離子體穩(wěn)定運行中的一些關(guān)鍵物理問題和工程技術(shù)問題。目前，EAST具備與國際熱核聚變實驗堆（ITER）（全球最大的實驗性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆裝置，已于2020年開始組裝，包括中國在內(nèi)七方30多個國家參與其中——編者注）最為相近的工程技術(shù)條件，包括超導(dǎo)穩(wěn)態(tài)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沖擊的鎢銅偏濾器系統(tǒng)，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沖等離子體物理實驗。

ITER項目中的世界最強磁鐵。

環(huán)球時報：目前EAST取得哪些成果？整體研究水平處于國際什么水平？

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(xiàn)可重復(fù)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(chuàng)造托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(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，其間電子溫度近7000萬攝氏度。這是目前世界上托卡馬克裝置高溫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(wěn)態(tài)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(guān)鍵技術(shù)和方法，闡明了長脈沖高參數(shù)運行的基本要求和關(guān)鍵物理過程，在穩(wěn)態(tài)長脈沖等離子體運行方面處于國際領(lǐng)先地位，為ITER及未來聚變堆發(fā)展提供了強有力的工程技術(shù)和科學理論支持。

環(huán)球時報：近日，“人造太陽”開啟新一輪實驗。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，處于調(diào)試階段，并初步建立了等離子體。本輪實驗，主線目標是率先實現(xiàn)400秒量級的高約束等離子體（ITER運行目標之一），并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沖等離子體實驗基礎(chǔ)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(shù)區(qū)間，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)等離子體運行新突破，為實現(xiàn)ITER歸一化參數(shù)水平的長脈沖等離子體運行奠定基礎(chǔ)。同時，我們已在全球范圍內(nèi)征集EAST實驗提案，強化國內(nèi)外合作，探索先進運行模式，深度研究等離子體關(guān)鍵物理，為ITER及未來聚變堆建設(shè)運行提供關(guān)鍵科學和技術(shù)驗證。

開放共享的國際實驗標桿

環(huán)球時報：基于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(lián)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臺之一，引領(lǐng)磁約束聚變前沿研究，為牽頭發(fā)起國際大科學計劃奠定堅實基礎(chǔ)。參與EAST實驗提案的合作者有來自歐美日韓等發(fā)達國家，也有發(fā)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國際實驗提案占總提案數(shù)的46%，EAST已經(jīng)成為全球開放共享的國際實驗標桿裝置。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(xié)議，與超過120個國際研究機構(gòu)和組織建立穩(wěn)定合作關(guān)系，與國際聚變界最主要的聚變研究單位簽署正式合作協(xié)議39份，成立了22個不同的工作組。

EAST裝置真空室（徐旻昊攝）。

2017年基于中法聯(lián)合實驗室的合作成果，還成立了“中法聚變聯(lián)合研究中心”（SIFFER）。2017年，我們主導(dǎo)國際聚變專家聯(lián)合發(fā)表《北京聚變宣言》，參與簽署的40多個國外科研機構(gòu)表示支持并共同參與中國聚變堆的設(shè)計與建設(shè)。2018年底，我們發(fā)起成立了國際聚變能聯(lián)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(shè)奠定基礎(chǔ)。

環(huán)球時報：我國于2006年正式簽約加入ITER計劃，中國科研機構(gòu)和企業(yè)在其中扮演著何種角色？

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(lǐng)域。通過建設(shè)運行EAST裝置和深度參加ITER計劃等，我們現(xiàn)已建立最廣泛的共享互惠國際合作網(wǎng)絡(luò)?！笆濉逼陂g，我們通過參與國際競標類項目，成功獲取大量國際經(jīng)費。以ITER項目為代表，承擔了ITER采購包國內(nèi)計劃70%的任務(wù)，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，先后派遣100多人長期堅守在法國ITER現(xiàn)場，參與領(lǐng)域基本覆蓋了ITER主機的所有核心內(nèi)容。20余位科研人員先后在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(wù)。

距離實際應(yīng)用還有多遠

環(huán)球時報：“人造太陽”何時能夠真正持續(xù)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(guān)鍵物理問題；另一個是工程技術(shù)問題。目前，作為實驗平臺的EAST，仍然會開展物理實驗，也包括國際聯(lián)合的物理實驗，來研究先進穩(wěn)態(tài)運行模式。同時，正在建設(shè)聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施CRAFT，計劃于2025年完工。

基于EAST和CRAFT的研究與工程基礎(chǔ)，我們正在謀劃建造一個緊湊型聚變能實驗堆，實現(xiàn)燃燒等離子體，產(chǎn)出聚變能，并研究燃燒等離子體關(guān)鍵物理問題，為未來聚變堆建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。再下一步，我們希望盡快啟動建造CFETR（中國聚變工程實驗堆），將研究走向?qū)嵱没?，以實現(xiàn)聚變能源為目標，直接瞄準未來聚變能的開發(fā)和應(yīng)用。同時，我們也會以多種形式深度參與ITER項目總裝、調(diào)試與運行，進一步提升科學技術(shù)實力，培養(yǎng)我們聚變?nèi)瞬拧?/p>

總體來看，我國經(jīng)過這么多年發(fā)展，聚變能科學可行性已經(jīng)被證實，完成了80%以上的關(guān)鍵技術(shù)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(shè)與運行，有望未來30-50年實現(xiàn)聚變能實際應(yīng)用。

環(huán)球時報：目前，“人造太陽”的研究哪些關(guān)鍵技術(shù)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(shù)、經(jīng)濟性等方面共同發(fā)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(xiàn)及其穩(wěn)定自持。工程技術(shù)方面，最關(guān)鍵的領(lǐng)域有高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)、氚循環(huán)利用、反應(yīng)堆材料研發(fā)、聚變核安全等。經(jīng)濟性方面，需重點解決能量轉(zhuǎn)換、電網(wǎng)技術(shù)等。

環(huán)球時報：“人造太陽”意味著一個永續(xù)的清潔能源，這對于中國以綠色、低碳能源為主導(dǎo)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(zhuǎn)化？

胡建生：世界主要國家均積極投入聚變能開發(fā)與應(yīng)用研究，這也是我國能源發(fā)展的長期戰(zhàn)略目標。一旦成功實現(xiàn)聚變能，可以為國家和人類提供永續(xù)的清潔能源，可以完全替代化石能源，對于中國建設(shè)以綠色、低碳能源為主導(dǎo)的新型消費能源體系、履行“雙碳”承諾有著極為重要的意義。在聚變能研究過程中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括等離子體、真空、低溫、電源、超導(dǎo)磁體等技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)化應(yīng)用。未來將進一步加強產(chǎn)業(yè)推廣，在超導(dǎo)磁體、渦流制動、濾波器、絕緣部件、低溫裝備、太赫茲檢測、微波裝備、特種焊接、特種檢測等方面實現(xiàn)突破，為國民經(jīng)濟服務(wù)。

關(guān)鍵詞： CHINA 中科院合肥研究院等離子體物理研究所副所長