大科學(xué)裝置，被譽(yù)為“國之重器”，是以實(shí)現(xiàn)重大科技和公益服務(wù)為目標(biāo)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。作為綜合性國家科學(xué)中心，如今，合肥已成為我國大科學(xué)裝置最集中的城市之一。7月16日，中國科學(xué)院合肥研究院舉行大科學(xué)裝置主題日活動(dòng)，記者獲悉，正在加緊建設(shè)的聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施園區(qū)工程有望明年年底竣工交付。同時(shí)，合肥“科學(xué)島”正預(yù)研建設(shè)一個(gè)世界最高磁場強(qiáng)度的系列穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置，探索解決國家重大科技領(lǐng)域需求中的瓶頸問題。

【建設(shè)篇】

“聚變堆”園區(qū)工程有望明年年底竣工交付

按照合肥綜合性國家科學(xué)中心“2+8+N+3”的發(fā)展路線圖，除了提升拓展現(xiàn)有的全超導(dǎo)托卡馬克、穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場等3個(gè)大科學(xué)裝置性能，合肥將新建聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施、合肥先進(jìn)光源等5個(gè)大科學(xué)裝置。其中，作為合肥綜合性國家科學(xué)中心獲批以來第一個(gè)落戶合肥的國家大科學(xué)裝置項(xiàng)目，聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施園區(qū)工程已于2018年12月14日正式開工建設(shè)。

昨日，記者來到位于廬陽區(qū)合肥綜合性國家科學(xué)中心大科學(xué)裝置集群區(qū)內(nèi)，發(fā)現(xiàn)正在這里建設(shè)的聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施園區(qū)，已經(jīng)初見雛形。

一進(jìn)園區(qū)，映入眼簾的是一圈巨大的半環(huán)形樓宇。合肥研究院科學(xué)中心與基礎(chǔ)設(shè)施處處長張壽彪介紹，這棟樓宇是科研人員辦公樓，主要包括科學(xué)家工作室、科研樓、綜合樓、人才公寓等，該建筑即將封頂。

“‘聚變堆園區(qū)’總占地600畝，除了科研人員辦公樓，還包括占地面積最大的若干幢科研實(shí)驗(yàn)廠房，以及變電站控制樓、水冷系統(tǒng)等支撐配套系統(tǒng)設(shè)施。目前，這些建筑及設(shè)施還在加緊建設(shè)當(dāng)中。”張壽彪表示，預(yù)計(jì)今年年底，所有建筑主體結(jié)構(gòu)封頂，到明年年底，全部工程竣工，正式交付。“園區(qū)是設(shè)施的載體，目前，聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施主體也正在合肥研究院以及相關(guān)工廠加緊研制中，預(yù)計(jì)2025年完成。”

“聚變堆”大科學(xué)裝置是做什么的?記者獲悉，聚變能由于具有清潔、環(huán)保、安全、原材料儲(chǔ)量極其豐富等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最終解決人類能源問題的戰(zhàn)略能源。該設(shè)施建成后，有望成為國際磁約束聚變領(lǐng)域參數(shù)最高、功能最完備的綜合性研究平臺(tái)，同時(shí)，也將成為中國工程聚變堆(CFETR)重要的前期驗(yàn)證平臺(tái)。“通過這個(gè)設(shè)施，科研人員將實(shí)驗(yàn)、檢驗(yàn)核聚變發(fā)電站的相關(guān)科學(xué)技術(shù)問題，以此推動(dòng)人類實(shí)現(xiàn)源源不斷獲得清潔能源的夢想。”合肥研究院強(qiáng)磁場中心學(xué)術(shù)主任匡光力說。

記者發(fā)現(xiàn)，在“聚變堆”設(shè)施的北面，還預(yù)留了大氣環(huán)境立體探測實(shí)驗(yàn)大科學(xué)裝置的位置。“目前，該裝置正在前期預(yù)研中，規(guī)劃在該位置建設(shè)。”張壽彪說。

【技術(shù)篇】

“人造太陽”實(shí)驗(yàn)裝置朝未來實(shí)際應(yīng)用再邁重要一步

提到目前合肥已建成的大科學(xué)裝置的“C位”，許多人腦海中的“C位”是位于合肥研究院的“人造小太陽”——全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。2017年，其實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，2018年，其首次實(shí)現(xiàn)等離子體中心電子溫度一億度運(yùn)行，朝著未來聚變堆實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)邁出了關(guān)鍵一步。

記者獲悉，日前，“人造太陽”實(shí)驗(yàn)裝置的又一項(xiàng)里程碑式的突破，獲得2019年度安徽省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

該項(xiàng)突破是由合肥研究院等離子體所聚變堆物理設(shè)計(jì)與先進(jìn)磁約束裝置研究室主任高翔等人完成的“EAST雙輸運(yùn)壘的實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用”。在該項(xiàng)研究中，科研團(tuán)隊(duì)在EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置上，理論模擬并實(shí)現(xiàn)了一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)、同時(shí)具有ETB和ITB(即雙輸運(yùn)壘)的等離子體。同時(shí)，項(xiàng)目組在EAST雙輸運(yùn)壘先進(jìn)等離子體模式研究基礎(chǔ)上，利用集成模擬程序優(yōu)化了約束、平衡與穩(wěn)定性，完成了CFETR的堆芯物理設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)成果對實(shí)驗(yàn)有何作用?高翔介紹，要想通過核聚變實(shí)現(xiàn)清潔能源的產(chǎn)出及應(yīng)用，需要做到高能量約束，這主要受三方面因素影響，第一是等離子體的溫度，第二是等離子體的燃燒時(shí)間，第三是等離子體的濃度。“雙輸運(yùn)壘運(yùn)行模式，相當(dāng)于在裝置中建立了兩道‘水壩’，阻礙能量和等離子‘逃脫’，這使得等離子體實(shí)驗(yàn)溫度能夠盡快提升上去，并且維持更長時(shí)間的燃燒。”高翔說。

“未來，真正實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電商業(yè)化應(yīng)用的一項(xiàng)要求，就是等離子體每天需持續(xù)燃燒8至12小時(shí)。目前，我們離這個(gè)目標(biāo)還有相當(dāng)長的距離，但此項(xiàng)重大進(jìn)展，是一個(gè)‘里程碑’，具有重要的科學(xué)意義。”高翔表示。

【成果篇】

合肥或?qū)⒔ㄔO(shè)世界最高磁場強(qiáng)度的系列穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置

實(shí)際上，大科學(xué)裝置主要分為專用研究設(shè)施、公共實(shí)驗(yàn)設(shè)施，以及公益科技設(shè)施三大類。“人造太陽”實(shí)驗(yàn)裝置就屬于專用研究設(shè)施，它的目的就是通過不斷的實(shí)驗(yàn)幫助人類實(shí)現(xiàn)源源不斷清潔能源的應(yīng)用。而公共實(shí)驗(yàn)裝置則相當(dāng)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，依托其能夠進(jìn)行多類型的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。位于合肥“科學(xué)島”上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置就是該類型的典型代表。

匡光力介紹，強(qiáng)磁場與極低溫、超高壓一樣，被列為現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)最重要的極端條件之一。在人類生活中，手機(jī)、電腦等無不與此現(xiàn)象有關(guān)。在強(qiáng)磁場的“魔力”下，某些超導(dǎo)體可以瞬間變成絕緣體，而一些普通材料會(huì)變成全新導(dǎo)體。自1913年以來，世界上有19項(xiàng)與強(qiáng)磁場有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)，僅近20年就有8項(xiàng)。位于合肥“科學(xué)島”上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置，其混合磁體最高場強(qiáng)達(dá)到了43.9T，是目前世界第二高的穩(wěn)態(tài)磁場，因此，近些年，依托該實(shí)驗(yàn)條件，產(chǎn)出了一大批具有國際影響力的高水平成果。

“磁場越高，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)遇越多。”匡光力介紹，此前，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)中有一位研究生物磁效應(yīng)的教師，她將培養(yǎng)出的癌細(xì)胞放置在強(qiáng)磁場裝置中，幾個(gè)小時(shí)后，驚人地發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)磁場對癌細(xì)胞有了明顯的抑制作用，對正常細(xì)胞卻幾乎沒有影響。研究一經(jīng)發(fā)表就引起了不小轟動(dòng)。“當(dāng)然，這個(gè)發(fā)現(xiàn)還需要繼續(xù)探索下去。”匡光力表示，近些年包括由“科學(xué)島”研發(fā)的國內(nèi)首個(gè)針對急性白血病的1類創(chuàng)新靶向藥物，以及相關(guān)新型材料的成果產(chǎn)出，都利用了穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置。

“當(dāng)前裝置的場強(qiáng)已經(jīng)非常高了，但是還不足夠。”匡光力表示，目前，團(tuán)隊(duì)還在預(yù)研建設(shè)一個(gè)強(qiáng)光磁集成實(shí)驗(yàn)設(shè)施，該裝置建成后，將具有更高的場強(qiáng)。“我們的目標(biāo)是將其建造成以55T級混合磁體、36T級超導(dǎo)磁體為代表的具有世界最高磁場強(qiáng)度的系列穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置。”匡光力介紹，有了這個(gè)裝置，將有望有效解決新型電子材料、生命電荷傳輸、高溫超導(dǎo)機(jī)理及應(yīng)用、新藥創(chuàng)制、能源化工等國家重大需求中的瓶頸問題。記者 劉暢司晨