從去年7月開始，素有“人造小太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）開始迎來中期改造，這也是自2006年該實驗裝置建成放電后的最大規模的改造。3月26日，記者在EAST改造現場獲悉，實驗裝置預計將于4月內完成升級啟動新一輪物理實驗，并將沖擊更高的科學目標。
誤差是毫米級，一個螺栓都不能錯
EAST控制大廳中央的電子屏上一直播放著數字96914，這是從2006年至今的實驗放電次數。每一次實驗，內部人員稱之為“一炮”。但這個數字從去年6月20日之后，沒有再增加了。
自2020年7月開始，有“人造小太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）開啟了新一輪升級改造，整個改造預計將于今年4月完成。
EAST升級改造項目內部施工負責人胡凱說，近百人的科研工程團隊每天超過12個小時“爭分奪秒”工作，從春節前到現在一直沒有休息。
記者在改造現場看到：巨大的行車在這個約三層樓高的裝置上方來回穿梭，正將鎢銅鑄造的第一壁“瓦片”吊入EAST內部環形真空室中。一位工程人員告訴記者：為了追求更小誤差，整個實驗裝置更換的“瓦片”，包括螺栓在內，有數千件，都是編好號碼后一一對應的更換。“誤差是毫米級的，每一個螺栓都有它固定的位置，一點也不能錯。”
參與此次升級改造的中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所王騰博士表示，改造一直按計劃進行，目前已經進入尾聲。
“目前整個實驗裝置已經進入降溫階段，整個超導磁體的溫度已經降至零下80攝氏度左右，當整個磁體溫度降至零下269攝氏度的時候，實驗裝置將進行工程調試，在那之后，改造后的實驗裝置將在今年夏天啟動改造后的第一次放電實驗。”王騰說。
“中年”EAST將沖擊更高目標
始于去年7月的改造也是“EAST”自2006年建成放電后最大規模的升級改造，甚至也是EAST在整個生命周期中最重要的一次“升級”。
“聚變實驗裝置國際通用運行壽命都在20至30年，”王騰博士告訴記者：“EAST項目于1998年立項，2000年開工建設，2006年9月26日建成放電，到今年剛好十五年。對于一個實驗裝置而言，正是'人到中年’。”
經過多年打磨，“中年”EAST的運行愈加沉穩。但要想沖擊更高的科學目標，對于實驗裝置的升級改造也勢在必行。
中科院等離子體物理研究所研制中心主任吳杰峰說，“'人造太陽’非常復雜，要讓上億攝氏度高溫與零下269攝氏度低溫1米內共存，上萬個零部件，有一點點瑕疵，未來實驗可能就會失敗。”
因此，EAST本次升級改造有兩件大事，都和溫度有關。
第一件事是要更新核心部件“第一壁”的材料，將下偏濾器由石墨材料換成鎢銅材料。
為什么要換材料？王騰給記者講述了改造的基本邏輯。“這就好比人要喝熱水，喝60攝氏度以下沒問題，但要喝更高溫度的水，抿一小口也沒問題，但是持續喝人就會受不了。同樣，EAST實驗裝置放電時，等離子體的溫度可以達到1億攝氏度，但想要長時間運行如此高溫等離子體，如果'第一壁’材料耐熱性能不達標，就會出問題。”
王騰告訴記者：EAST裝置“第一壁”最初的熱負荷功率大約是每平方米1兆瓦，現在的熱負荷功率則提高到了每平方米20兆瓦，“改造前后性能提升20倍。”
第二件事則是要調整輔助加熱系統。眾所周知，EAST是一個圓柱形裝置，分布了十六個窗口，這些窗口分別連接了不同的輔助加熱系統，其中包含多套“射頻波加熱”系統和“中性束注入”系統來給等離子體加熱升溫，對比改造前后EAST裝置，輔助加熱系統的窗口進行了重新調整，以追求更優的空間布局和更高的加熱效率。
什么是“射頻波加熱”系統呢？“它的工作原理類似于生活中的家用微波爐，只不過加熱的不是食品而是等離子體。”王騰說，“它的功率更是家用微波爐的數萬倍，可以說是中國最大的'微波爐’了，可以將等離子體加熱到上億度高溫。”
411秒的世界紀錄始終未被打破
在完成改造后，從今年起，EAST將沖擊更高參數等離子體放電。
合肥物質科學研究院等離子體物理研究所曾將“EAST”的科學目標歸納為“三個一”：1兆安、1億攝氏度和1000秒。
其中，“1兆安”是指EAST內等離子體的電流強度；“1億攝氏度”則是指等離子體芯部溫度；“1000秒”是指長脈沖等離子體持續放電時間。
在實際實驗中，若以“單科成績”算，“1兆安”和“1億攝氏度”的目標已經完成了，只剩下“1000秒”。
2012年，EAST成功獲得超過411秒的兩千萬攝氏度高參數偏濾器等離子體；獲得穩定重復超過30秒的高約束等離子體放電。兩項實驗結果均創下世界紀錄。
“從2012年到現在，411秒的世界紀錄始終未被打破。”王騰說，“可見，想要延長這個時間有多難。”
時間意味著什么呢？EAST被稱為“小太陽”，真實的太陽已經燃燒了45.7億年，其內部的核聚變還將持續50億至60億年。同樣，“小太陽”穩定放電時間越長，意味著人類對于核聚變的控制技術越高超，也為未來穩態、安全、高效的先進商業聚變堆提供物理和工程技術基礎。
實際上，EAST對“時間”的追求并不是單維度的，而是結合“溫度”和“電流強度”的一個綜合指標。
2012年的411秒是在2000萬攝氏度的條件下實現的，此后，EAST又相繼實現了“10秒、1億攝氏度”和“20秒、1億攝氏度”，未來，長脈沖高溫等離子體將成為EAST的主攻方向之一。
距離點亮第一只燈泡還有多遠？
想象一下，一個氚的原子核和一個氘的原子核以極大的速度，赤裸裸地碰撞，結合成1個氦原子核，并釋放出17.6兆電子伏特能量。這就是太陽內部每時每刻都在發生的事情。
想在地球上復刻“太陽”的神跡——這就是以EAST為代表的一系列托卡馬克裝置存在的意義——用實驗探索可控核聚變。
要知道，核聚變的原料氘能夠從海水中提取出來，一升海水中提取的原料進行核聚變相當于燃燒300升汽油。地球上的海水至少可以供人類使用上億年。
那么，人類距離民用核聚變還有多遠呢？
“EAST項目是要建造一個具有非圓截面的大型超導托卡馬克裝置及其實驗系統。”王騰說，“它的主要目的是研究先進穩態運行模式下的相關物理問題，它雖然被叫作'小太陽’，但還不能為我們提供能量。”
比“實驗裝置”更進一步的是“實驗堆”建設。實驗堆可以實現“燃燒”等離子體實驗。國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃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，中國是七個合作方之一，等離子體物理研究所則承擔了該計劃中中國采購包的絕大部分研發任務。
在那之后，則是“工程堆”建設。在該領域，中國正在謀劃建造真正的“人造太陽”——中國聚變工程堆（CFETR）。
盡管CFETR還未正式立項，但是針對CFETR的預研工作進展順利。2018年1月3日，國家發改委宣布聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施（CRAFT）在合肥集中建設，它將為開展聚變堆核心部件研發和建設提供技術基礎，這也是合肥綜合性國家科學中心首個落地的國家大科學裝置項目。
安徽商報記者獲悉，截至今年2月，聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施項目總體工程量已完成60%。
“只有完成實驗裝置、實驗堆、工程堆這一系列工作，才有可能建設聚變'商業示范堆’，最終完成人類終極能源開發。”王騰說。
那也意味著，漫威宇宙里鋼鐵俠胸前的能量源、《流浪地球》里的推動地球前進的核聚變發動機都有可能成為現實。但在那之前，仍有很長的路。中科院合肥研究院等離子所核聚變大科學工程團隊都有著一個信念：被核聚變能點亮的第一只燈泡一定要在中國。
