作者:王敏 陈欢欢 来源:中国科学报 发布时间:2023/7/22 8:25:37
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率先这十年
“学霸”EAST是如何炼成的

 

这个夏天,坐落于安徽省合肥市西郊科学岛上的大科学装置——全超导托卡马克核聚变实验装置(以下简称EAST)迎来了一轮“小考”,来自国内外多个研究机构的近百份实验提案将在这里找到答案。

作为核聚变领域的“模范生”,EAST近年来屡创世界纪录:2016年,实现5000万摄氏度102秒等离子体运行;2017年,实现101秒高约束模等离子体运行;2021年,将温度提高到1.2亿摄氏度并保持101秒;今年4月12日,又将自己保持的稳态长脉冲高约束模等离子体运行纪录提高到403 秒。而在国际上,其他聚变装置的运行时间均未达到百秒级。

可以说,“学霸”EAST是在跟自己竞赛。但实际上,我国核聚变研究的起步要比国际上晚20多年。近日,《中国科学报》记者走进科学岛,探寻中国核聚变研究从跟跑到并跑,再到部分领跑的逆袭之路。

全超导托卡马克核聚变实验装置EAST  等离子体所供图

以大科学装置为发展引擎

“这主要得益于中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所(以下简称等离子体所)始终把依托大科学装置的基础研究作为发展引擎。”等离子体所副所长胡建生首先给出“秘诀”之一。

所谓大科学装置,是国家重大科技基础设施的重要组成部分,是为高水平研究活动提供长期运行服务的大型设施。上世纪90年代初,我国引进已停机的前苏联托卡马克装置进行根本性改造,建为中国第一代超导托卡马克装置。在此基础之上,中国科学院自主设计研制了世界首台全超导托卡马克核聚变实验装置EAST,并于2006年正式建成。

核聚变是两个较轻的原子核聚合到一起生成较重的原子核,同时释放巨大能量的核反应过程。太阳就是一种天然的聚变体,50亿年来源源不断地释放光和热。而EAST就是模仿太阳原理,研究如何约束和控制核聚变反应,因此也被形象地称为“人造太阳”。

“人造太阳”被认为是人类能源供应的终极梦想,但由于技术难度太大,商业化运行还有较长的路要走。对于科研人员来说,这意味着要坐数十年如一日的“冷板凳”。

2013年7月17日,习近平总书记在视察中国科学院时,对中国科学院未来发展提出“四个率先”的要求,其中明确提出要“率先实现科学技术跨越发展”。这对EAST研究团队来说,正是行动指南。

胡建生表示,十年来,等离子体所在习近平总书记“四个率先”要求的引领下,充分发挥EAST作用,在物理实验和工程技术两方面取得了多项标志性成果,形成了科学问题与装置平台间互相带动的格局。

在物理实验成果上,EAST先后创造了十余项世界纪录;在工程技术方面,研究团队解决了超导磁体、真空、诊断、波加热、低温、材料等技术集成问题。由于EAST是国际上第一个采用全超导磁体的聚变装置,因此,很多独创的技术也得到了国际同行的借鉴。同时,EAST还作为成熟的“实验基地”,为国际热核聚变实验堆(ITER)运行和我国自主建设运行未来聚变堆提供重要的实验基础。

此外,受EAST牵引,等离子体所在超导、低温、等离子体材料等多个产业方面衍生出一批高新技术成果,并实现转移转化。

例如,等离子体所利用EAST衍生的超导、低温、射频等技术,正在研制国内首套具有自主知识产权的医用超导质子癌症治疗系统。该系统投入使用后,广大癌症患者相关治疗费用有望减少一半。

EAST大科学团队 等离子体所供图

建设高水平人才团队是关键

“科技创新离不开人才支撑。”胡建生说,在建设和运行EAST过程中,等离子体所集聚和培养了一大批懂科学、懂技术、懂工程、懂管理的优秀人才,而这正是屡创世界纪录的第二个“秘诀”所在。

2021年,在国外求学7年的张伟毅然回国加入等离子体所微波技术研究室。国外的经历让他认识到,目前国内核聚变研究还有不足,而他在德国马普所学习到的知识正好可以为我国磁约束核聚变研究做出贡献。

“等离子体所是一个温暖的、有人情味的地方,大家各司其职,友好互助,也常常会一起探讨学术问题,科研氛围浓厚。”张伟告诉《中国科学报》。

十年来,等离子体所坚持“外引内培”相结合,构建高水平人才团队。所谓“外引”是发挥大科学装置人才集聚效能,面向全球公开招聘。“内培”则是结合全国重点实验室建设、中国科学院国际合作试点项目培养优秀人才。

例如,设立“揭榜挂帅”课题,让优秀青年承担关键任务,激发青年人才活力;依托国际合作试点、ITER项目等,每年派遣百余名青年骨干到海外学习交流,培育支持青年骨干成长;与高校开展联合培养,设立共享A+学科、设立王淦昌英才班等,发现好苗子,为核聚变领域储备创新型、复合型人才。

目前,EAST研究团队以“80后”“90后”为主,平均年龄35岁。带领这样一帮年轻人冲锋陷阵,等离子体所除了为他们创造安静的科研环境,解决生活上的后顾之忧,还积极提供“精神补给”。如举办科学家讲坛、主题党日等活动,弘扬老一辈科学家精神,引导青年科研工作者科教报国。

张伟说,从中国托卡马克核聚变奠基人陈春先创立等离子体所,到中国科学院院士霍裕平用生活物资换来前苏联托卡马克装置T-7,再到万元熙、李建刚、万宝年等院士率领团队攻坚克难,他们的事迹深深感染了自己。

征服“人造太阳”注定是一场科研马拉松。80高龄的退休研究员高大明仍然心系EAST,装置运行进展如何?实验还顺利吗?一旦有人请教他问题,立马就赶到现场。“所里还有很多这样的老同志,他们心心念念想把事情做成、做得更好。”胡建生说。

多年来,等离子体所凝聚成了“一支特别能战斗、特别能打硬仗、特别值得信赖”的科研团队,先后2次获得国家科技进步一等奖、4次获得国际科技合作奖。

凌晨3时的EAST控制大厅物理实验现场 等离子体所供图

开放共享走向世界核聚变中心

在等离子体所工作的人常常有种感受:科学岛离市中心很远,但离世界很近。胡建生说,这是第三个“秘诀”——坚持开放共享,扩大国际科技交流合作。

“我来中国已有30多次,在EAST上做实验,还会给岛上学生做一些讲座。”日本国立聚变科学研究所教授森田茂说。像森田茂一样,每年有近千名国外研究人员前来交流合作。

十年来,EAST成为国家开放共享大科学装置标杆之一,入选全球研究基础设施高官会、国际经合组织和金砖国家大科学装置开放目录或典型案例。就在今年5月6日,中国科学院首个开放创新试点——磁约束聚变能研究开放创新试点落户科学岛。

目前,等离子体所与欧美俄日等40多个国家的120多家科研机构建立了稳定的交流与合作关系:中美国际托卡马克合作研究中心、国际聚变能联合中心等相继落成并运行,不断产出具有国际影响力的重要创新成果;在“一带一路”倡议下,帮助东南亚、西亚、南美、北非等核聚变新兴国家的相关学科和实验装置建设。

采访中,胡建生向《中国科学报》透露,我国的核聚变实验装置技术已经走出国门。7月底,等离子体所帮助泰国核聚变技术研究所建设的托卡马克装置TT-1即将在泰国正式交付并投入实验运行。

在新形势下,EAST如何“再出发”?

“目前,我们正在为EAST设定新的科学任务,实验方面要朝着1000秒高约束模等更高更持久的目标发起挑战;工程方面,加紧开展聚变实验堆和工程堆的关键部件预研,为未来中国聚变的跨越式发展打下坚实基础。”胡建生说。

在距离EAST不远处,聚变堆主机关键系统综合研究设施正在如火如荼建设中,下一代“人造太阳”中国聚变工程实验堆也已完成工程设计。

胡建生希望,未来中国在国际上首次获得燃烧等离子体,率先在国际上实现真正的聚变发电,点亮第一盏聚变能的灯。

 

 
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