中國「人造太陽」再創新世界紀錄:從上不了牌桌成為帶頭大哥

撰文:外部來稿(中國)
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2025年1月20日,中國科學技術領域再次傳來振奮人心的消息:在安徽合肥,有「人造太陽」之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)成功創造新的世界紀錄,首次實現1億攝氏度1066秒的高約束模等離子體運行。

這一成就不僅標志著中國在核聚變能源研究領域實現了從基礎科學向工程實踐的重大跨越,更讓世界看到了中國在可控核聚變技術上的領先地位。這一成果的背後,是中國幾代科研人員數十年如一日的艱苦奮鬥和自主創新的積累。

回顧中國可控核聚變技術的發展歷程,從起步階段的艱難探索,到如今站在世界前沿的輝煌成就,這段歷史充滿了坎坷與輝煌,也見證了中國科技發展戰略的逐步成熟與完善。

全超導托卡馬克核聚變實驗裝置 (中科院合肥物質科學研究院)

我們試想這樣一個場景:有一天,世界上所有「節約能源」的標語都消失了;你不需要再交電費,因為電力已經變得取之不盡,用之不竭;只要居民都同意,整個城市可以燈火通明、恆溫恆濕;人們不需要勞動,永不停歇的流水線就可以自動生產……

是不是非常美好呢?有沒有可能成真呢?

就人類目前的科技水平來說,最有可能實現這個美夢的途徑,是攻克「可控核聚變」技術。這可不是胡說的,而是前國際原子能委員會主席劉易斯·斯特勞斯的觀點。

為什麽呢?因為理論上說,核聚變反應只需要幾克原材料,就能產生萬億焦耳的能量,並且不會產生污染性廢物。這什麽概念啊?相當於你種下一顆芝麻,不用再付出任何心血,就可以收穫整整60年的個人生活物資。你說牛不牛?

面對這樣一個打開人類新世界的技術,我們國家是如何從「上不了國際牌桌」到「成為帶頭大哥」的呢?

「上不了牌桌的窮學徒」

人類對可控核聚變技術的研究,始於上世紀50年代初。那是一個冷戰的年代,兩大陣營——以美國為首的西方陣營和以蘇聯為首的東方陣營——在核技術領域展開了激烈的競爭。核聚變,作為未來能源的終極夢想,自然成了雙方爭奪的焦點。

彼時,核聚變研究如同一場秘密的「地下賽跑」,各國都在暗中較勁,試圖搶先一步掌握核心技術。這種保密性,讓當時的中國連「抄作業」的機會都沒有,只能站在牌桌外,眼巴巴地看著,像個「上不了牌桌的學徒」。

核聚變技術的核心難點很快浮出水面:如何將加熱至上億攝氏度、處於等離子體狀態的「燃料」容納起來,並將其約束在一個高壓狀態下?這就好比要把一個小太陽裝進一個鐵盒子里,難度可想而知。這種技術難題,單靠一個國家的力量幾乎是不可能攻克的。於是,兩大陣營開始意識到,只有攜手合作,才能共同邁向這一人類的終極目標。從「各自為戰」到「合作共贏」,這一轉變,也為中國提供了「偷師」的機會。

1958年,第二屆和平利用原子能國際會議在日內瓦召開。蘇聯在會上宣布建成了磁鏡裝置「奧格拉」,並展示了四卷文集《等離子體物理與受控熱核反應問題》。這一成果得到了大會的高度評價,也讓核聚變研究的最新進展完全公開化。這些公開的「學霸筆記」,對於牌桌外的中國來說,無疑是雪中送炭。中國科學家們終於有了追趕的「教材」。

同年5月,中科院物理研究所迎來了一個重要的時刻。留美歸來的孫湘牽頭組建了第一室103組,正式開啟了中國可控核聚變的研究工作。僅僅幾個月後,103組就取得了重大突破——他們使用小型脈沖放電裝置,成功製造出了高溫等離子體。這一成果作為中科院國慶獻禮的重點項目,被《人民日報》譽為「人造小太陽」。中國在核聚變領域的第一步,邁得相當堅實。

孫湘(1916.5.30—1999.1.1),中國著名光學與等離子體物理學家

然而,好景不長。1959年,三年困難時期悄然而至。饑荒和自然災害席卷全國,國家的經濟面臨巨大挑戰。在這種背景下,繼續向科研單位投入大額經費顯得有些「奢侈」。核聚變研究的經費被大幅削減,科研骨幹也被陸續調往優先級更高的兩彈研制任務。原本充滿希望的核聚變研究,逐漸陷入了停頓。到了1963年,中科院物理所的核聚變研究組正式撤銷,第一波核聚變研究熱潮就此落幕。

當時的中國,雖然有心追趕核聚變技術,但無奈客觀條件的限制,只能暫時停下腳步,等待時機。這個「上不了牌桌的窮學徒」,雖然暫時無法參與國際競爭,但已經在牌桌外悄悄做好了準備,等待著重新入場的機會。

緊跟潮流的奮鬥者:從「上不了牌桌」到「站穩腳跟」

接下來,我們再看看第二階段:緊跟潮流的奮鬥者。

上世紀六十年代,國際局勢風雲變幻,冷戰的陰影籠罩全球,核技術的競爭愈發激烈。毛主席高瞻遠矚,創造性地提出了「三線建設」戰略,決定在中西部地區大力發展國防工業和基礎工業。這一戰略不僅是為了應對國際局勢的不確定性,更是為了在極端困難的條件下,為中國科技發展開闢一條獨立自主的道路。

1965年,二機部做出了一個關鍵決策:整合全國核聚變科研力量,遷往四川樂山,籌建二機部585研究所,也就是後來大名鼎鼎的核工業西南物理研究院。這一舉措,讓中國可控核聚變研究有了一個堅實的「大本營」,也標志著中國正式組建了自己的「國家隊」。

然而,有了隊伍只是第一步,接下來的問題是:往哪個方向努力?當時,核聚變研究領域就像一片茫茫大海,雖然目標明確——實現可控核聚變,但具體怎麽走,誰也沒有把握。就在這時,蘇聯傳來了一個令人振奮的消息。

1968年,蘇聯公開了托卡馬克(Tokamak)裝置的實驗數據。他們成功地將等離子體固定在一個環形腔體內,這就好比把太陽的中心部分「裝」進了一個穩定的容器里!這一成果如同一劑強心針,瞬間將學界和工業界對核聚變研究的悲觀情緒一掃而空。從20世紀70年代開始,全球範圍內掀起了一股核聚變研發的「托卡馬克」熱潮。

中國當然不甘落後。1970年,中科院物理所的陳春先提出了一個大膽的設想:結合電工所正在開發的大型儲能裝置,建設托卡馬克裝置。這個想法很快就引起了高層的重視。1972年,周恩來總理親自批示,支持這一設想。有了總理的支持,事情就好辦多了。1973年,中科院在合肥建立了受控熱核反應研究實驗站,緊接著,1977年,代號「八號工程」的中大型托卡馬克實驗裝置獲批立項。至此,中國可控核聚變研究初步形成了「四川、安徽雙中心」的格局,一個在樂山,一個在合肥,兩個地方齊頭並進,共同推動中國核聚變事業的發展。

時間來到1979年,中國經濟進入又一輪調整期。在這種背景下,中科院的「八號工程」被迫下馬。不過,好在585所的中型環流器項目保留了下來,並在1984年順利啟動,被命名為「中國環流器一號」。它的研制成功,標志著中國在核聚變研究上邁出了堅實的一步,解決了從零到一的「有無問題」。

不過,實事求是地說,當時「中國環流器一號」的性能還比較有限,只能含蓄地說「在第三世界核聚變研究的裝置建造、實驗研究水平上處於領先地位」。換句話說,雖然我們有了自己的裝置,但和國際主流水平相比,還有不小的差距。

中國環流器一號裝置(HL-1)(圖源:觀察者網)

但中國科研人員並沒有因此氣餒。1991年,中科院等離子體所抓住了一個難得的機會,與俄羅斯庫爾恰托夫研究所達成合作協議,引進了俄羅斯研制的T-7中型超導托卡馬克裝置。在中俄專家的共同努力下,經過深度改造,1994年,中國第一個超導托卡馬克裝置HT-7正式建成。這一次,HT-7的性能有了質的飛躍,被國際學界公認為「毫無疑義地處於第三世界的領先地位,將接近國際聚變研究的前沿」。換句話說,中國終於有了一個能讓國際同行「看得上眼」的裝置。

這就是全球第二次核聚變研究浪潮,也是中國可控核聚變發展的第二個階段。在這個階段,中國從一個「上不了牌桌」的新手,逐漸成長為一個能夠站穩腳跟的奮鬥者。曾經那個只能在牌桌外觀望的窮學徒,如今已經拿到了入場券,接下來,就是他大展身手的時候了。

第三階段:領跑世界的組局者

我們暫時把時間調回到1976年。彼時,由美蘇倡議,在國際原子能機構(IAEA)的框架下,由美國、歐、日、俄共同建造的「國際熱核聚變實驗堆計劃」(ITER)正式啟動。這是一個巨大的科學計劃,目標是驗證核心聚變技術的科學可行性,以及反應堆的工程可行性。然而,冷戰的產物,總是難免帶上冷戰的基因。持續的預算增加、覆雜的政治原因,以及遲遲無法達成共識的選址問題,讓這個看似和諧的ITER一度停擺。

2003年,中國以「平等夥伴」身份加入了ITER計劃談判,並在2006年11月正式簽署了ITER計劃協議書。所謂「平等夥伴」,是指分擔一部分資金,享受全部的項目權益。加入ITER後,中方不僅能夠共享這一巨型托卡馬克裝置獲得的各種研究成果,還能學習受控核聚變的科學現象及其控制手段,以及巨型科學裝置的項目管理規範等軟科學成果。更重要的是,ITER為中方分配的設備採購包,有力地帶動了相關工業領域的產品、材料、工藝和標準的進步。

這就好比咱們參加了一個羽毛球俱樂部,不僅能跟俱樂部里的其他會員切磋技術、交流心得,還能通過組內比拼選出更優秀的選手,代表俱樂部外出比賽、贏得榮譽。而中國在基建領域的強大能力,使其在ITER計劃中脫穎而出,主導的工程質量好、進度快,因此經常中標。中標之後,中國不僅獲得了最前沿的技術,還能通過實踐打磨自己的手藝。如此一來,中國在核聚變領域的快速發展並進入國際一流行列,自然也就水到渠成了。

比如,2006年,中科院等離子所在合肥建設的「先進實驗超導托卡馬克實驗裝置」(EAST)正式投入使用。EAST作為世界上性能最好的托卡馬克裝置之一,承擔起了為ITER進行先期驗證實驗的重任。與上一代平台HT-7相比,EAST的綜合性能有了大幅提升,從「進入國際主流水平」躍進到了「國際先進水平前列」。

再比如,2009年,西南物理研究院提出的中國環流器二號M(HL-2M)裝置,不僅承擔了ITER等未來巨型反應堆的預研驗證工作,更重要的用意在於消化ITER項目中得到的成果。通過走通一個同類大科學裝置從設計到建造調試的完整過程,帶動國內相關產業的發展。2020年12月4日,HL-2M裝置在成都雙流的西物院基地成功放電,標志著中國可控核聚變技術已經邁開雙腿,穩穩站在了聚變技術的最前沿。

在HL-2M占據著媒體聚光燈中心位置時,中國可控核聚變又邁出了新的步伐。這一次,中國不再是跟着大哥玩、看牌友臉色的窮學徒,而是已經成長為可以自己組局、帶著別人玩的大哥了。

中國環流器二號M裝置(HL-2M) (圖源:中核集團)

經典的中國式科研方法論

總結可控核聚變的發展歷史,不難發現,經典的中國式科研方法論,就是一步一個台階,上台階時,既利用良好國際環境,盡可能汲取外部先進材料、設備乃至技術資料,短時間內滿足應用任務要求,同時又通過帶動關鍵子系統的國產化完成自主創新,為下一個台階的跳躍創造條件。這種策略不僅體現了中國科研的智慧,更彰顯了中國在科技領域不斷進取的精神。

回顧中國可控核聚變技術的發展歷程,我們可以清晰地看到這一策略的實施軌迹。從最初的艱難起步,到如今站在世界前沿,中國在這條道路上走出了一條獨特的道路。

在早期,中國核聚變研究的基礎非常薄弱,技術封鎖和資源限制使得自主發展幾乎不可能。然而,中國科研人員並沒有因此退縮,而是積極尋找機會,利用國際交流的窗口,汲取外部資源。中國通過與俄羅斯、德國等國家的合作,引進了先進的托卡馬克裝置,如T-7和ASDEX,並在此基礎上進行深度改造和國產化,逐步縮小了與國際先進水平的差距。進入21世紀,中國在核聚變領域的步伐愈發穩健, 中國自主設計建造的EAST和HL-2M等裝置,不僅在技術上達到了國際先進水平,更在某些領域實現了超越,標志著中國在核聚變技術上已經具備了自主創新能力。

中國式科研方法論的另一個重要特點,是「集成創新」與「自主創新」的結合。在核聚變領域,中國科研人員通過引進、消化、吸收國外先進技術,實現了關鍵技術的國產化。例如,EAST裝置在設計和建造過程中,大量採用了國產化的關鍵部件,不僅降低了成本,還提升了裝置的性能。這種「以我為主」的創新模式,不僅使中國在核聚變技術上實現了從跟跑到並跑再到領跑的跨越,更為中國未來在其他高科技領域的自主創新提供了寶貴經驗。