東方超環的極限挑戰

在合肥西郊風景秀麗的董鋪水庫上，有一座名叫“科學島”的小島，這里是倍受當地人喜愛的休閑勝地，也是世界首個全超導托卡馬克核聚變實驗裝置——東方超環（EAST）的所在地。

核聚變具有清潔、環保、安全、原材料儲量極其豐富等優點，被認為是最終解決人類能源問題的戰略能源。但核聚變的發生需要上億度的高溫，如何把物質持續、穩定、可控地加熱到上億度成為難題。

攻克這一難題，就是東方超環的使命。東方超環建成于2006年，被譽為“人造太陽”。之所以獲此美名，并不是因為它與太陽的外觀有多相似，而是因為科學家們在嘗試著用它模擬太陽的熱核聚變過程，并由此為人類提供能源。從建成至今，15年來，科學家們推著東方超環一次又一次沖破極限，逼近核聚變所需要的條件。

東方超環（中科院合肥研究院等離子體所供圖）

建中國人自己的托卡馬克

一般物質到達10萬度時，原子中的電子就會脫離原子核的束縛，形成等離子體，怎么為這些等離子體加熱，一度成為核聚變研究中的難題。

20世紀50年代初，蘇聯科學家建成了第一個托卡馬克裝置。它是一個由封閉磁場組成的“容器”，可以把炙熱的等離子體托舉到半空中持續加熱。這個辦法被視為探索、解決未來穩態聚變反應堆工程及物理問題的最有效途徑。

早在上世紀70年代，位于合肥的中國科學院等離子體物理研究所（以下簡稱中科院等離子體所）就開始了核聚變相關研究。上世紀90年代，中科院等離子體所開始了超導托卡馬克的研究。

1990年2月，蘇聯庫爾恰托夫所副所長卡多姆采夫院士給中科院等離子體所時任所長霍裕平院士發來一封信，提出愿意將已停機的T-7托卡馬克裝置贈送給中科院等離子體所，以便更好地開展合作研究。作為等離子體物理學家，霍裕平心里非常清楚T-7對中國意味著什么。

他迅速組織了全所科技骨干深入了解T-7，反復論證改造T-7的可行性。最終，他們決定接受T-7，并不惜一切代價在3年內對其改造，為中國的核聚變作一番拼搏。

1991年3月，T-7設備運抵國內，相關改造和建設工作也在中科院等離子體所全面鋪開。1994年12月，由T-7改造成的超導托卡馬克裝置HT-7首次獲得等離子體，成為中國的第一個超導托卡馬克。

在此基礎上，中科院等離子體所的科學家們又提出了對HT-7進行升級改造的新計劃——“HT-7U全超導非圓截面托卡馬克裝置建設”計劃，以便在近堆芯的高參數條件下研究等離子體的穩態和先進運行，深入探索實現聚變能源的工程、物理問題。

為使國內外專家易于發音、便于記憶同時又有確切的科學含義，項目在2003年10月更名為EAST，中文名為“東方超環”。

2006年，由國家發展改革委立項支持的東方超環正式建成，這個主機部分高11米、直徑8米、重400噸的大家伙，成為我國自行設計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置。

第98958次實驗

“98、99、100！”2021年5月28日凌晨3時02分，當大屏幕上的數字突破100秒時，所有人起立歡呼。

這是東方超環的第98958次實驗。一個新的世界紀錄由此誕生——東方超環成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，將1億攝氏度20秒的原紀錄延長了5倍，進一步證明核聚變能源的可行性，也將為邁向商用奠定物理和工程基礎。

回望過去的15年，東方超環在一次次挑戰極限：

2012年，東方超環打破世界紀錄，獲得超過400秒的兩千萬度高參數偏濾器等離子體，并獲得穩定重復超過30秒的高約束等離子體放電；

2016年，東方超環獲得超過60秒的完全非感應電流驅動（穩態）高約束模等離子體，成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置；

2017年，東方超環實現了穩定的101.2秒穩態長脈沖高約束等離子體運行，創造了新的世界紀錄；

2018年，東方超環實現加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，在電子回旋與低雜波協同加熱下，等離子體中心電子溫度達到1億度；

2021年，東方超環又一次創造新的世界紀錄。

從這15年的成績單可以看到，近五年，東方超環進入了“豐產期”。“這主要是因為2015年東方超環完成了第一次全面地升級，裝置能力得到了大幅提升。”中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所副所長徐國盛告訴《中國科學報》。

人才隊伍的壯大，是東方超環在近五年里持續出現重大突破的另一個原因。“從2006年東方超環建成到2016年，10年時間，我們的科研人員不畏艱難，堅持創新，探索出托卡馬克穩態運行的有效方案，科研隊伍在人員數目和研究水平上有了顯著提升。”徐國盛說。

2021年5月28日，東方超環實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行現場（中科院合肥研究院等離子體所供圖）

合作，革新，再沖刺

在東方超環建成的2006年，中國核聚變領域還經歷了另一件大事——正式簽約加入國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。

這是全球最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆裝置，集成了當今國際上受控磁約束核聚變的主要科學和技術成果，是人類受控核聚變研究走向實用的關鍵一步。這也是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，中國、歐盟、俄羅斯、美國、日本、韓國和印度七方30多個國家參與其中。

與ITER外形相似且比ITER更早投入運行的東方超環，無論是在工程建設上，還是在物理研究上，都為ITER項目提供了可借鑒的經驗。“東方超環的下一個目標之一，就是演示ITER設計運行時間尺度高約束模式等離子體穩態運行的可行性。”徐國盛說。

作為中國為人類命運共同體做貢獻的重要平臺，ITER項目也成為我國發展自身聚變工程實驗堆的有力支撐。

“近年來東方超環取得的系列原創性重大成果，以及深度參與ITER計劃取得的成果和經驗，都為未來中國聚變工程實驗堆的建設和運行，奠定了堅實的科學和工程基礎。”徐國盛說。

接下來，在以往的成果和國際合作經驗基礎上，東方超環還將探索在更長時間尺度下的高溫等離子體運行，數百秒時間尺度維持等離子體芯部電子溫度超過1億度，長時間的高溫等離子體的穩態運行。

“東方超環是一個自身不斷進步的系統，需要通過升級改造來不斷提升系統能力，挑戰工程參數，突破其運行極限，逼近核聚變所需要的等離子體條件。”徐國盛說。

除了推著東方超環一步步挑戰極限之外，科學家們還有更宏偉的目標。“中國磁約束核聚變研究的最終目標就是要率先在中國實現核聚變發電。”徐國盛說。

對于中國核聚變研究的科學家來說，最值得期待的就是我國盡早開始建設和運行聚變工程實驗堆。

徐國盛介紹，近些年，在國家科技部的支持下，我國科學家已完成了未來中國聚變工程實驗堆的概念設計、物理設計和工程設計，并且進行了一些關鍵部件的預研。正在建設的“聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施”（CRAFT）也將成為國際磁約束聚變領域參數最高、功能最完備的綜合性研究平臺，可為我國開展聚變堆核心部件研發和建設提供建設技術基礎。

“從東方超環到中國聚變工程實驗堆，我們所做的每一件事都是人類沒有做過的。我相信，假以時日，科研人員一定能逐步解決未來聚變堆核心科學和技術問題，讓取之不盡、用之不竭的清潔聚變能造福人類。”徐國盛自豪地說。